Nước mắt hoàng tử Rupert: Vì sao giọt thủy tinh nhỏ bé này lại có thể khiến máy ép thủy lực chịu thua?

Hơn 400 năm trước, hoàng tử Rupert xứ Batavia đã tặng Vua Charles II của Anh một món quà kỳ lạ: năm quả bóng thủy tinh nhỏ bé, trông giống như những giọt nước mắt. Ban đầu, nhiều người cho rằng đây là một món quà không xứng tầm dành cho một vị vua quyền uy. Nhưng khi Charles II nhận được những giọt thủy tinh đặc biệt này, ông không chỉ hài lòng mà còn bị cuốn hút bởi sự kỳ diệu của chúng. Những giọt thủy tinh này sau đó được biết đến với cái tên "nước mắt của Rupert" và đã khiến các nhà khoa học phải đau đầu nghiên cứu trong suốt bốn thế kỷ.

Nước mắt của Rupert có hình dáng giống như một giọt nước với đuôi dài, khiến chúng trông giống con nòng nọc. Điều làm nên sự đặc biệt của chúng là khả năng "không thể phá hủy" ở phần đầu. Trong các thí nghiệm hiện đại, ngay cả đạn súng trường cũng không thể làm vỡ phần đầu của nước mắt Rupert. Tuy nhiên, chỉ cần một lực nhỏ tác động vào phần đuôi, toàn bộ cấu trúc sẽ vỡ vụn ngay lập tức. Tại sao một vật thể nhỏ bé lại có những đặc tính kỳ lạ như vậy?

Nước mắt của Rupert được tạo ra bằng cách nhỏ thủy tinh nóng chảy vào nước lạnh. Khi giọt thủy tinh tiếp xúc với nước, lớp ngoài cùng của nó nhanh chóng đông đặc, trong khi phần bên trong vẫn ở trạng thái nóng chảy. Khi phần bên trong nguội đi, nó co lại, tạo ra một lực căng nén rất lớn trên bề mặt bên ngoài. Lực nén này khiến lớp vỏ ngoài của nước mắt Rupert trở nên vô cùng cứng cáp, có thể chịu được áp lực lớn.

Lớp vỏ ngoài của nước mắt Rupert có thể chịu được lực nén lên tới 700 megapascal, tương đương với khoảng 7.000 lần áp suất khí quyển. Đây là lý do tại sao phần đầu của giọt thủy tinh này không thể bị phá vỡ bằng cách thông thường hay thậm chí là dùng máy ép thủy lực. Tuy nhiên, lực căng bên trong cũng đồng nghĩa với việc chỉ cần phá vỡ trạng thái cân bằng, toàn bộ cấu trúc sẽ sụp đổ.

Mặc dù phần đầu của nước mắt Rupert cực kỳ cứng cáp, nhưng phần đuôi của nó lại rất mong manh. Do đuôi nguội không đều trong quá trình làm lạnh nên lực nén tại đây thấp hơn nhiều so với phần đầu. Theo đó, chỉ cần một lực nhỏ tác động vào đuôi, trạng thái cân bằng của ứng suất nén sẽ bị phá vỡ, dẫn đến sự sụp đổ toàn bộ cấu trúc.

Hiện tượng này có thể so sánh với một dãy domino: chỉ cần đẩy nhẹ một quân, cả dãy sẽ đổ sụp. Khi đuôi của nước mắt Rupert bị phá vỡ, năng lượng tích tụ bên trong giọt thủy tinh được giải phóng, khiến nó vỡ vụn thành hàng nghìn mảnh nhỏ trong tích tắc.

Suốt hàng trăm năm, nước mắt của Rupert là một thách thức lớn đối với các nhà khoa học. Chỉ đến những năm 1990, công nghệ hiện đại mới cho phép họ giải mã bí ẩn đằng sau hiện tượng này. Bằng cách sử dụng các thiết bị đo đạc tiên tiến, các nhà nghiên cứu đã xác định được lực nén và lực kéo bên trong giọt thủy tinh, đồng thời hiểu rõ hơn về trạng thái cân bằng giữa chúng.

Các nhà khoa học phát hiện ra rằng sự phân bố ứng suất bên trong nước mắt Rupert là chìa khóa giải thích cho độ bền kỳ diệu của nó. Lớp vỏ ngoài chịu lực nén cao, trong khi phần lõi bên trong chịu lực kéo, tạo nên trạng thái cân bằng. Chỉ cần trạng thái này bị phá vỡ, toàn bộ cấu trúc sẽ không thể giữ được.

Khám phá về nước mắt của Rupert đã mở ra nhiều ứng dụng thực tiễn, đặc biệt trong lĩnh vực sản xuất kính cường lực. Kính cường lực, được sử dụng rộng rãi trong cửa sổ, màn hình điện thoại và ô tô, cũng dựa trên nguyên lý tương tự: tạo ra một lớp vỏ chịu lực nén để bảo vệ phần lõi bên trong.

Quá trình sản xuất kính cường lực bắt đầu bằng việc nung thủy tinh đến nhiệt độ khoảng 550°C, sau đó làm lạnh nhanh bề mặt bằng không khí. Kết quả là một sản phẩm có khả năng chịu lực tốt hơn nhiều so với kính thông thường, đồng thời an toàn hơn khi vỡ, vì nó sẽ tạo thành các mảnh nhỏ không sắc nhọn, giảm nguy cơ gây thương tích.

Mặc dù nước mắt của Rupert đã được giải mã, nhưng các nhà khoa học tin rằng vẫn còn nhiều điều để học hỏi từ hiện tượng này. Hiện nay, các nghiên cứu đang tập trung vào việc áp dụng nguyên lý ứng suất nén vào các vật liệu mới, nhằm tạo ra những sản phẩm bền hơn, nhẹ hơn và an toàn hơn.

Một trong những lĩnh vực tiềm năng là chế tạo các vật liệu siêu bền cho ngành hàng không vũ trụ và quốc phòng. Bằng cách học hỏi từ nước mắt của Rupert, các kỹ sư có thể phát triển những lớp vỏ bảo vệ cho tàu vũ trụ hoặc áo giáp chống đạn, kết hợp độ cứng cáp và khả năng phân tán lực một cách hiệu quả.