Buzz
Nước mắt của hoàng tử Rupert, hay còn gọi là giọt Rupert, giọt Hà Lan, giọt Batavia, là những hạt thủy tinh cường lực mà con người tạo ra bằng cách nhỏ từng giọt thủy tinh nóng chảy vào trong nước lạnh.
Hơn 400 năm trước, hoàng tử Rupert xứ Batavia đã gửi tặng vua Charles II của Anh một món quà lạ lùng: năm quả bóng thủy tinh nhỏ bé, trông giống như những giọt nước mắt. Ban đầu, nhiều người nghĩ đây là một món quà không xứng đáng dành cho một vị vua quyền lực. Tuy nhiên, khi vua Charles II nhận món quà này, ông không chỉ cảm thấy hài lòng mà còn bị cuốn hút bởi sự kỳ diệu của chúng. Những giọt thủy tinh này sau đó được biết đến với tên gọi "nước mắt của Rupert" và gây ra nhiều nghiên cứu suốt bốn thế kỷ.
Nước mắt của Rupert có hình dáng giống như một giọt nước với phần đuôi dài, làm chúng trông giống như con nòng nọc. Điều đặc biệt là khả năng "không thể phá hủy" của phần đầu. Trong các thí nghiệm hiện đại, ngay cả đạn súng trường cũng không thể làm vỡ đầu của giọt nước mắt Rupert. Tuy nhiên, nếu tác động lực nhẹ vào phần đuôi, toàn bộ cấu trúc sẽ vỡ vụn ngay lập tức. Vậy tại sao một vật thể nhỏ bé lại có đặc tính kỳ lạ như vậy?
Nước mắt Rupert được tạo ra bằng cách nhỏ thủy tinh nóng chảy vào nước lạnh. Khi giọt thủy tinh chạm vào nước, lớp ngoài cùng lập tức đông đặc, trong khi phần bên trong vẫn còn nóng chảy. Khi phần bên trong nguội đi, nó co lại, tạo ra một lực căng nén rất lớn trên bề mặt ngoài. Lực nén này làm cho lớp vỏ ngoài của nước mắt Rupert trở nên vô cùng cứng cáp, có thể chịu được áp lực rất 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 phương pháp thông thường hay thậm chí dùng máy ép thủy lực. Tuy nhiên, lực căng bên trong cũng có nghĩa là chỉ cần phá vỡ trạng thái cân bằng, toàn bộ cấu trúc sẽ sụp đổ.
Mặc dù phần đầu của nước mắt Rupert rất cứng cáp, nhưng phần đuôi lại rất mong manh. Do quá trình làm lạnh không đều, lực nén tại phần đuôi thấp hơn nhiều so với phần đầu. Vì vậy, chỉ cần một lực nhỏ tác động vào phần đuôi, trạng thái cân bằng của lực nén sẽ bị phá vỡ, dẫn đến sự sụp đổ của toàn bộ cấu trúc.
Hiện tượng này có thể được ví như một chuỗi domino: chỉ cần đẩy nhẹ một quân, cả dãy sẽ đổ. Khi phần đuôi của nước mắt Rupert bị phá vỡ, năng lượng tích tụ bên trong giọt thủy tinh ngay lập tức được giải phóng, khiến giọt thủy tinh vỡ vụn thành hàng nghìn mảnh trong chớp mắt.
Trong suốt hàng trăm năm, nước mắt Rupert luôn là một thử thách lớn đối với các nhà khoa học. Mãi cho đến những năm 1990, với sự phát triển của công nghệ hiện đại, họ mới có thể giải mã được bí ẩn đằng sau hiện tượng này. Bằng cách sử dụng thiết bị đo đạc tiên tiến, các nhà nghiên cứu đã xác định được lực nén và lực kéo trong giọt thủy tinh, từ đó hiểu rõ hơn về sự cân bằng giữa chúng.
Các nhà khoa học đã phát hiện rằng sự phân bố ứng suất bên trong nước mắt Rupert là yếu tố quyết định sự bền vững kỳ diệu của nó. Lớp vỏ ngoài chịu lực nén mạnh, trong khi phần lõi bên trong lại chịu lực kéo, tạo nên sự cân bằng. Khi trạng thái này bị phá vỡ, cấu trúc của giọt thủy tinh sẽ không thể giữ nguyên.
Khám phá về nước mắt Rupert đã mở ra nhiều ứng dụng thực tế, đặc biệt là trong ngành sản xuất kính cường lực. Kính cường lực, được sử dụng phổ biến trong cửa sổ, màn hình điện thoại và ô tô, dựa trên nguyên lý tương tự: tạo ra 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 ở nhiệt độ khoảng 550°C, sau đó làm lạnh nhanh bề mặt bằng không khí. Kết quả là sản phẩm có khả năng chịu lực tốt hơn nhiều so với kính thông thường và an toàn hơn khi vỡ, vì nó tạo thành các mảnh nhỏ không sắc nhọn, giảm thiểu nguy cơ gây thương tích.
Dù nước mắt Rupert đã được giải mã, các nhà khoa học vẫn tin rằng còn nhiều điều cần khám phá từ hiện tượng này. Hiện nay, các nghiên cứu tập trung vào việc áp dụng nguyên lý ứng suất nén vào các vật liệu mới, nhằm tạo ra những sản phẩm bền, nhẹ và an toàn hơn.
Một trong những ứng dụng đầy hứa hẹn là chế tạo các vật liệu siêu bền cho ngành hàng không vũ trụ và quốc phòng. Bằng cách học hỏi từ cấu trúc của nước mắt Rupert, các kỹ sư có thể phát triển những lớp vỏ bảo vệ cho tàu vũ trụ hay áo giáp chống đạn, kết hợp giữa độ cứng và khả năng phân tán lực hiệu quả.
