Gặp kính kim loại

25

Nhưng chỉ trong Vka của chúng tôi, những bí mật của nó mới bắt đầu được tiết lộ.

Hai trạng thái “đặc” của vật chất được biết rõ: lỏng và tinh thể. Sự khác biệt bên ngoài của chúng tương ứng với sự khác biệt đáng kể trong cấu trúc nguyên tử của chúng. Trong chất lỏng, các nguyên tử được sắp xếp tương đối với nhau ít nhiều một cách ngẫu nhiên, nhưng trong tinh thể, sự sắp xếp của chúng có trật tự chặt chẽ. Tuy nhiên, những nguyên tử này nằm ở vị trí giống như các nút của mạng không gian, được gọi là tinh thể. Các chất khác nhau có đặc điểm hình dạng mạng tinh thể riêng. hình 1 hiển thị một trong các tùy chọn có thể.

Nếu một tinh thể được nung nóng trên điểm nóng chảy, nó sẽ tan chảy và biến thành chất lỏng. Nếu chất tan chảy được làm nguội dưới điểm nóng chảy, nó sẽ kết tinh lại. Đồng thời, các nguyên tử dường như “cảm nhận” được thời điểm quan trọng đang đến gần khi cần phải xây dựng lại và tổ chức “từ chất lỏng của chất tự do” để tạo thành một tinh thể. Mọi chuyện sẽ diễn ra như thể có lệnh “đứng!” và các chiến binh nguyên tử lần lượt vào vị trí, xếp hàng theo một thứ tự nhất định. Và cho dù các nguyên tử có “hoạt động” tốt đến đâu thì vẫn cần một thời gian để “xây dựng”. Ví dụ nổi tiếng nhất về sự kết tinh là sự hình thành băng từ nước ở 0°C. Tất cả các kim loại, hợp kim của chúng và hàng ngàn chất khác đều hoạt động giống hệt nhau ở nhiệt độ nóng chảy của chúng. Nhưng đôi khi các sự kiện phát triển theo một kịch bản bất thường.

“Cuộc sống” của nguyên tử là sự chuyển động không ngừng. Nhưng khả năng di chuyển của chúng nhanh chóng giảm khi nhiệt độ giảm. Tình huống này có thể được lợi dụng. Hãy tưởng tượng rằng một loại quái vật nhiều nhóm nào đó đã nắm lấy tất cả các nguyên tử của chất lỏng và giữ chúng tại chỗ cho đến khi chất tan nguội đến nhiệt độ dưới điểm nóng chảy, và chỉ sau đó buông ra. Khi đó các nguyên tử sẽ không thể tổ chức lại thành tinh thể nữa. Họ vẫn còn trong tình trạng hỗn loạn. Bản thân chất lỏng sẽ đặc lại và trở nên rắn chắc. Vật liệu này được gọi là thủy tinh.*)

Tất nhiên, việc giữ nguyên tử là không thực tế. Nhưng nó có thể làm mát chất lỏng một cách nhanh chóng. Khi đó ở nhiệt độ cao (điểm nóng chảy) các nguyên tử sẽ không có thời gian để sắp xếp lại, còn ở nhiệt độ thấp thì sẽ quá muộn. Hãy nhớ một trong những trò chơi của trẻ em. Trong đó, tất cả người chơi phải giữ nguyên vị trí mà họ đã bị lệnh “đóng băng”. Đôi khi nó không được tự nhiên. Làm mát đột ngột là lệnh “đóng băng” cho các nguyên tử. Không giống như con người, nguyên tử có thể ở những vị trí “bất tiện” trong nhiều năm, quy mô, hàng nghìn năm. Và nếu người chơi được hồi sinh bằng lệnh “chết”, thì các nguyên tử sẽ được “đánh thức sự sống” bằng cách hâm nóng lại.

Nhưng “làm nguội nhanh” nghĩa là gì? Mỗi chất có đáp số riêng. Đối với hỗn hợp soda và cát, “nhanh” có nghĩa là nhiệt độ giảm một phần độ mỗi giây. Tốc độ làm nguội này đạt được khi không có khối lượng nóng chảy tự nhiên. Đó là lý do tại sao tổ tiên chúng ta đã có thể mở được kính thông thường. Nhưng đối với hợp kim kim loại, “nhanh” thực sự là nhanh. Các ước tính đã chỉ ra rằng để ngăn kim loại lỏng tan chảy kết tinh, nó phải được làm lạnh ở tốc độ một triệu độ. Tất nhiên, nhiệt độ nóng chảy không phải là một triệu độ. Tốc độ giảm nhiệt độ này có nghĩa là cần phải làm nguội chất nóng chảy, chẳng hạn như từ 2000 °C xuống 1000 °C trong 10⁻³ s, tức là trong một mili giây. Đây là cái giá của việc “dừng” nguyên tử.

Ý tưởng làm mát nhanh không phải là mới. Nó đã được biết đến từ thời cổ đại dưới cái tên làm cứng. Homer vĩ đại đã làm chứng: “Như người thợ rèn nhúng chiếc rìu nóng đỏ vào nước lạnh và tìm kiếm sắt trong bọt sủi, sắt mạnh hơn được tạo ra trong lửa và nước”.

*) Thủy tinh thuộc nhóm chất vô định hình tổng quát hơn - đây là tên đặt cho chất rắn không có mạng tinh thể.

26

sủa." Tuy nhiên, các phương pháp làm cứng truyền thống chỉ cung cấp tốc độ làm nguội 100-1000 độ mỗi giây. Đối với mục đích của chúng tôi, danh sách này là không đủ.

Hãy để kim loại một lúc và đặt câu hỏi: làm thế nào để làm nguội nhanh trà nóng? Cách dễ nhất là uống nó từ cốc trong đĩa. Nhiệt sẽ được giải phóng chủ yếu ra không khí xung quanh. Bằng cách tăng bề mặt tiếp xúc không khí, chúng ta tăng tốc độ làm mát. Chúng ta chọn càng phẳng thì trà sẽ nguội càng nhanh (tất nhiên, với thể tích không đổi!). Cuối cùng, bạn có thể chỉ cần đổ trà lên bàn. Do sự lan rộng của chất lỏng, diện tích bề mặt của nó sẽ còn tăng hơn nữa. Đúng vậy, chúng tôi sẽ không khuyến nghị kỹ thuật này khi uống rượu, vậy thì đừng nghi ngờ những khoảnh khắc còn lại.

Vì vậy, kết luận đầu tiên: để tăng tốc độ làm mát, bạn nên tối đa hóa diện tích bề mặt tiếp xúc với môi trường truyền nhiệt, trong trường hợp này là từ không khí.

Nhưng không khí loại bỏ nhiệt tương đối chậm. Kim loại được coi là chất dẫn nhiệt tốt, và trong số đó, trước hết là đồng. Chúng tôi tin chắc điều này mỗi khi chúng ta chạm vào lớp phủ kim loại - nó luôn có vẻ lạnh vì nó nhanh chóng loại bỏ nhiệt của con người.

Điều này dẫn đến một khuyến nghị khác: không nên rót trà trên bàn mà nên rót trên khay kim loại rộng (tốt nhất là đồng). Sau đó nó sẽ nguội gần như ngay lập tức.

Điều này kết thúc “buổi trà đạo” không mấy tinh tế của chúng tôi. Cô ấy đề xuất một công thức cụ thể. Để làm nguội nhanh kim loại lỏng, cần tạo một lớp rất mỏng trên bề mặt đồng (thường gọi là chất nền).

Các thí nghiệm thành công đầu tiên về làm lạnh cực nhanh chất lỏng kim loại được thực hiện vào năm 1960. Một giọt kim loại nóng chảy xuất hiện trên đế đồng. (Trong giai đoạn đầu, năng lượng của khí bột của một khẩu súng lục thông thường được sử dụng cho việc này.) Khi chạm vào màn hình đồng, giọt nước sẽ dẹt ra, nguội đi ngay lập tức (tốc độ làm nguội đạt $10^8-10^{10}$ độ/s) và một chiếc bánh nhỏ bằng kim loại rắn vô định hình bay lên không trung từ “bàn đạp” đồng (hình 2). Ở những nơi mỏng nhất, độ dày của nó bằng 0,0001 mm.

Có một số biến thể khác của phương pháp “thả squishing”. Hạn chế chính của họ là năng suất thấp. Và kim loại vô định hình thu được ở dạng bột mịn, và điều này không phải lúc nào cũng thuận tiện cho việc sử dụng thực tế. Nhưng việc áp dụng các nguyên tắc làm mát tương tự cho phép chúng ta tạo ra các cách để tạo ra một dải kim loại vô định hình liên tục. Đây là một lựa chọn có thể. Một dòng kim loại nóng chảy mỏng chảy vào đĩa đồng đang quay. Khi tiếp xúc với đĩa, nó nguội đi và dải băng vô định hình vốn đã bị ép buộc (hình 3) bị văng ra khỏi đĩa.

Nhìn bề ngoài, thủy tinh kim loại không có điểm gì chung với sản xuất thủy tinh thông thường và không khác gì kim loại (tinh thể) thông thường. Nhưng đây chỉ là bên ngoài. Sự sắp xếp lộn xộn của các nguyên tử, bất thường ở nhiệt độ phòng, cũng tương ứng với những tính chất bất thường. Kim loại vô định hình cực kỳ cứng và bền. Các đầu từ được làm từ nó dài hơn nhiều lần so với các “tổ hợp” tinh thể về tuổi thọ sử dụng. Và về độ tinh khiết, đặc tính từ tính được sử dụng về phía chúng. Ngày nay, nhiều quốc gia khác nhau đã bắt đầu sản xuất đầu từ làm bằng thủy tinh kim loại cho băng từ video, âm thanh và bộ nhớ máy tính.

Tính sáng tạo cao của kim loại vô định hình gợi ý một lĩnh vực ứng dụng khác của chúng. Cực kỳ được làm từ những công cụ chế độ này.

(Về phần kết, xem trang 39.)