Bí ẩn 400 năm của giọt thủy tinh đạn bắn không vỡ

Thí nghiệm bắn đạn vào giọt thủy tinh

Giọt thủy tinh "nước mắt hoàng tử Rupert" (hay còn gọi là "nước mắt Hà Lan") được tạo thành bằng cách nhỏ thủy tinh nóng chảy vào nước. Các nhà nghiên cứu phát hiện đầu giọt thủy tinh có thể chịu áp suất lớn gấp gần 7.000 lần áp suất khí quyển, có khả năng chống chịu viên đạn bắn vào ở cự ly gần.

Vật này được đặt theo tên hoàng tử Rupert ở Đức, người đã dâng một số giọt thủy tinh lên vua Charles II ở Anh vào thế kỷ 17. Đầu giọt thủy tinh cứng tới mức chịu được cả lực đập búa, nhưng phần chóp đuôi lại dễ vỡ đến độ nếu dùng tay bẻ, không chỉ phần đuôi bị phá vỡ mà toàn bộ giọt thủy tinh cũng vỡ vụn thành bột mịn.

Từ lâu nhiều nhà nghiên cứu đã tìm cách hiểu rõ nguyên nhân dẫn tới những đặc tính bất thường nêu trên, nhưng phải nhờ tới các công nghệ mới, họ mới có thể tìm hiểu chi tiết về giọt thủy tinh.

Năm 1994, tiến sĩ Srinivasan Chandrasekar, giáo sư kỹ thuật ở Đại học Purdue cùng tiến sĩ Munawar Chaudhri, trưởng khoa vật liệu ở Đại học Cambridge, sử dụng kỹ thuật chụp ảnh tốc độ cao để quan sát quá trình giọt thủy tinh vỡ vụn.

Họ kết luận bề mặt những giọt thủy tinh này chịu lực nén vô cùng cao, trong khi bên trong chịu lực kéo lớn. Lực nén khiến vật liệu bị ép chặt trong khi lực kéo kéo giãn vật liệu. Như vậy, giọt thủy tinh ở vào trạng thái không ổn định, có thể dễ dàng chịu tác động khi bẻ gãy phần đuôi. Tuy nhiên, nhóm của tiến sĩ Chandrasekar vẫn chưa rõ áp lực phân phối xuyên suốt giọt thủy tinh như thế nào. Nếu làm rõ được điều này, các nhà khoa học có thể lý giải đầy đủ tại sao đầu giọt thủy tinh lại cứng như vậy.

Trong nghiên cứu mới, họ cộng tác với tiến sĩ Hillar Aben, giáo sư ở Đại học Công nghệ Tallinn tại Estonia, người chuyên xác định áp lực còn lại bên trong những vật thể ba chiều trong suốt.

Nhóm nghiên cứu sử dụng máy nghiệm phân cực, một loại kính hiển vi dùng để đo phân bố áp lực trên một chất liệu bằng cách đo góc tia sáng phản chiếu ở mỗi đầu bên trong.

Trong thí nghiệm, các nhà nghiên cứu treo giọt thủy tinh trong một chất lỏng trong, sau đó rọi sáng giọt thủy tinh bằng đèn LED màu đỏ. Sử dụng máy nghiệm phân cực, họ đo độ trễ quang học của ánh sáng khi di chuyển qua giọt thủy tinh, sau đó dùng dữ liệu để thiết lập mô hình phân bố áp lực xuyên suốt vật thể.

Họ nhận thấy đầu giọt thủy tinh có độ cứng trước lực nén bề mặt cao hơn nhiều so với suy đoán trước đây, có thể chịu áp suất lên tới 700 megapascal. Nhưng lớp chịu nén này rất mỏng, chỉ bằng 10% đường kính phần đầu giọt thủy tinh.

Theo các nhà nghiên cứu, đặc điểm trên giúp phần đầu giọt thủy tinh có khả năng chịu rạn rất tốt. Để phá vỡ giọt thủy tinh, một người bắt buộc phải tạo ra vết nứt chạy tới khu vực chịu lực kéo bên trong. Nhưng do các vết nứt thường sinh ra theo hướng song song với bề mặt, chúng không thể kéo dài tới khu vực này. Bởi vậy, cách dễ dàng nhất để phá vỡ giọt thủy tinh là bẻ gãy đuôi của nó, giúp tạo ra vết nứt mong muốn.