Bạn có thích chụp hình selfie? Bạn có thích đăng hình vừa chụp lên Instagram hoặc Twitter để có thể thấy nó trên điện thoại hoặc máy tính ở khắp nơi trên hành tinh hay không?

Bạn thử quan sát xem căn phòng hay ngôi nhà của bạn có thứ nào sau đây hay không: các ô cửa kính, chiếc gương xinh xắn, máy ảnh điện thoại, màn hình máy tính, đồng hồ điện tử hay ti vi?

Nếu câu trả lời là có thì chắc chắn bạn khó mà có thể bỏ qua một câu chuyện mà chúng mình muốn kể với các bạn hôm nay đó là “câu chuyện về thuỷ tinh”.

Chắc hẳn bạn sẽ lại nghi ngờ rằng “thuỷ tinh quá đỗi thông thường mà bạn cứ làm quá lên chăng”. Ồ không đâu, các bạn sẽ rất bất ngờ về những điều vô cùng phi thường mà thuỷ tinh tạo nên cho thế giới chúng ta đó.

1. Sự phát hiện ra thuỷ tinh

Khoảng 26 triệu năm trước, tại sa mạc Libya (bờ đông Sahara) dưới sức nóng không <500^oC các hạt cát nóng chảy rồi kết dính với nhau, khi nhiệt độ hạ xuống dưới mức hoá lỏng chúng tạo nên các lớp vật chất phủ trên bề mặt, ngày nay chúng ta gọi là thuỷ tinh. Thuỷ tinh có bản chất hoá học là Silic dioxit (SiO₂). Giống với H₂O, Silic dioxit có dạng tinh thể khi ở dạng rắn và hoá lỏng khi bị nung nóng. Tuy nhiên, Silic dioxit có nhiệt độ hoá lỏng cao hơn nước nhiều, bạn cần mức nhiệt khoảng 300^oC để hoá lỏng SiO₂. Khi giảm nhiệt độ nước sẽ tái cấu trúc về dạng tinh thể băng, nhưng Silic dioxit thì không có khả năng này, chúng trở thành loại vật chất mới, lơ lửng giữa thể lỏng và thể rắn.

Vào năm 1922 người ta đã tìm thấy một mảnh thuỷ tinh được chạm thành hình con bọ hung trang trí trên cổ vật được khai quật từ lăng mộ của Hoàng đế Ai Cập. Tính đến thời điểm đó thì mảnh thuỷ tinh nhỏ bé này đã lặng lẽ nằm đó hơn bốn ngàn năm cho đến khi được phát hiện. Thật khó hiểu nổi nhờ đâu mà mảnh silic dioxit nhỏ bé này có thể chu du từ sa mạc Libya đến tận hầm mộ của Hoàng đế Ai Cập (Hình minh hoạ-trang 19).

2. Những người thợ thuỷ tinh

Thuỷ tinh xuất hiện lần đầu tiên nhờ những người thợ thuỷ tinh vào thời cực thịnh của đế chế La Mã, họ đã làm cho thuỷ tinh cứng và trong hơn loại thuỷ tinh tự nhiên, từ đó cửa sổ kính xuất hiện, đặt nền móng cho các toà nhà kính lấp lánh trên khắp thế giới ngày nay.

Sự kiện thành Constantinople thất thủ – sự sụp đổ của Đế chế Đông La Mã đã dẫn tới sự di cư của một nhóm thợ thuỷ tinh đến định cư ở Venice – trung tâm giao thương quan trọng nhất toàn cầu lúc bấy giờ. Nhờ kỹ thuật thổi thuỷ tinh họ nhanh chóng tạo ra mặt hàng xa xỉ mới, cung cấp cho các thương nhân trong thành đem bán khắp thế giới. Tuy nhiên, với các lò nung nhiệt độ lên đến hơn 300^oC, nó thiêu rụi khu dân cư (do kiến trúc của thành phố này gần như bằng gỗ). Vì thế, các thợ thuỷ tinh bị lưu đầy tới hòn đảo Murano, nhờ sự tập trung của thợ thuỷ tinh trên hòn đảo lẻ loi mà nơi đây đã trở thành trung tâm sáng tạo. Không lâu sau đó Murano trở thành “Đảo Thuỷ tinh” và tại đây người thợ thuỷ tinh Angelo Barovier đã cho ra đời một sản phẩm thượng hạng của thuỷ tinh đó là pha lê. Điều chớ trêu là Pha lê (loại thuỷ tinh trong suốt) ra đời từ thế kỷ 18, nhưng phải tới thế kỷ 20 chúng ta mới hiểu được tại sao thuỷ tinh trong suốt. Sự trong suốt của thuỷ tinh được giải thích là do: khi cát nóng chảy, các phân tử của nó sắp xếp ngẫu nhiên và việc làm lạnh nhanh chóng khiến các phân tử bị đông đặc nhưng vẫn giữ lại cấu trúc sắp xếp không theo trật tự ở trạng thái lỏng khiến nó trở nên trong suốt; đồng thời, các hạt electron trong thủy tinh không hấp thụ năng lượng của các photon ánh sáng trong quang phổ nhìn thấy được do đó nó trong suốt trong vùng ánh sáng có thể nhìn thấy.

3. Kính mắt

Bạn biết không, mặc dù trong suốt nhưng ánh sáng cũng có thể bị bẻ cong, bị vặn vẹo thậm chí bị bẻ gãy thành các bước sóng thành phần khi đi qua thuỷ tinh. Điều này dẫn tới sự ra đời của chiếc kính mắt sơ khai – được gọi là roidi da ogli (theo tiếng Ý nó có nghĩa là “những chiếc đĩa cho đôi mắt”. Ngày nay chúng ta chúng ta gọi nó là Lenses (thấu kính). Thực ra phát minh kính mắt lại bắt nguồn từ phát minh máy in của Gutenberg (thập niên  1440). Chính những bản sách in đã dẫn tới nhu cầu mua kính viễn thị tăng đột biến. Nhờ các bản sách in mà một bộ phận dân số đáng kể phát hiện tật thị lực, mở ra thị trường cho các nhà sản xuất kính mắt. Do vậy hàng nghìn thợ làm kính Châu Âu đã phát tài, kính mắt trở thành công nghệ tiên tiến đầu tiên sau phát minh quần áo thời Đá mới.

4. Kính hiển vi

Động lực kinh tế đến từ thị trường kính mắt mới nổi đã làm nảy sinh một lĩnh vực chuyên môn mới. Nhờ sự ra đời của máy in mà Châu Âu lúc này tập trung rất đông các chuyên gia thao túng ánh sáng với thuỷ tinh lồi. Họ chính là những hacker của cuộc cách mạng quang học lần thưc nhất – đặt nền móng cho sự ra đời kính cho những chiếc kính hiển vi sơ khai đầu tiên. Tuy nhiên, phải mất đến 3 thế hệ kính hiển vi mới thực sự tạo nên chuyển biến trong khoa học. Nhờ đó mà con người biết đến thế giới vô hình tế bào và các vi sinh vật.

5. Kính thiên văn

Hai mươi năm sau phát minh kính hiển vi, một nhóm thợ kính người Hà Lan trong đoc có Zacharias Jenssen tiếp tục cho ra đời kính thiên văn. Ý tưởng về kính thiên văn đã nảy ra khi Hans Lippershey quan sát con mình chơi thấu kính. Chỉ trong vòng 1 năm, Galileo đã cải tiến thiết bị này, phóng tầm nhìn lên 10 lần. Sau 2 năm Galileo đã quan sát các vệ tinh của Mộc tinh.

Bạn biết đấy, sự ra đời của kính hiển vi và kính thiên văn là một lịch sử song song lạ lùng đối với phát minh máy in của Gutenberg. Phát minh của Gutenberg còn thúc đẩy mở rộng khả năng thiết kế kính và thuỷ tinh. Giúp con người không chỉ quan sát những thứ vốn dễ thấy bằng mắt thường, nó còn giúp chúng ta có thể nhìn thấy những thứ vượt ra khỏi giới hạn tự nhiên của thị lực con người.

6. Máy ảnh, máy quay, vô tuyến

Sau các phát minh về kính hiển vi, kính thiên văn, thấu kính tiếp tục đóng vai trò then chốt trong các phương tiện truyền thông của thế kỷ 19, 20: máy ảnh, máy quay, vô tuyến, nhờ đó mà tạo nên xã hội hình ảnh. Ai có thể tưởng tượng rằng thiên hà chữ nghĩa của Gutenberg đã mở đường cho màn hình huỳnh quang của ti vi cùng các khung hình mê hoặc của Hollywood. Tuy nhiên, dù thế nào thì đều phải dựa vào khả năng truyền và thao túng ánh sáng độc nhất vô nhị của thuỷ tinh.

Thế nhưng nó chưa phải là tất cả đâu nhé, thuỷ tinh còn có một tính chất vật lý lạ lùng nữa mà ngay cả những bậc thầy thổi thuỷ tinh của đảo Maruno cũng không thể nhìn ra. Suốt hàng nghìn năm, con người khai thác vẻ đẹp, sự trong suốt của thuỷ tinh và chịu đựng sự mong manh của nó nhưng ở một nơi khác nhà vật lý Charles Vernon Boys (một thầy giáo thiếu khả năng truyền thụ nhưng vô cùng đam mê với việc chế tạo vật liệu thuỷ tinh) lại tạo ra sợi thuỷ tinh có độ bền khó tin (nó bền tương đương, nếu không muốn nói là hơn một sợi thép cùng kích cỡ). Sau đó, sợi thuỷ tinh có mặt khắp nơi: từ vật liệu cách nhiệt trong nhà bạn, quần áo, ván lướt song, siêu du thuyền, mũ bảo hiểm cho đến bảng mạch kết nối các chip máy tính hiện đại. Không chỉ vậy, nó còn được sử dụng kết hợp với nhôm để tạo ra vật liệu của dòng máy bay thương mại lớn nhất trên bầu trời – Airbus. Thật đáng kinh ngạc phải không các bạn!

7. Cáp quang

Ai cũng biết rằng tính trong suốt của sợi thuỷ tinh là đặc tính cố hữu, nhưng phải tới năm 1970 mới được chú ý nhiều, khi người ta chế tạo thành công loại thuỷ tinh trong tới mức, nếu tạo một khối thuỷ tinh dày cỡ chiếc xe buýt, nó vẫn đủ trong suốt để nhìn xuyên qua như một cửa kính bình thường. Ngày nay, người ta có thể chế tạo khối thuỷ tinh dày cỡ nửa dặm mà vẫn giữ nguyên độ trong suốt như thế. Các nhà khoa học ở Phòng thí nghiệm Bell tạo ra sợi thuỷ tinh siêu trong và bắn tia laser dọc chiều dài của chúng, từ đó tạo ra sợi quang học. Nhờ vậy mới ra đời cáp quang – xương sống của Internet toàn cầu ngày nay. Bạn biết không, có khoảng 10 tuyến cáp quang riêng biệt xuyên qua Đại Tây Dương, truyền tải gần như toàn bộ các trao đổi âm thanh và dữ liệu giữa các lục địa. Thực ra, hàng ngàn phát minh gộp lại mới có thể biến điều kỳ ấy thành hiện thực, song những liên kết kỳ lạ của silic dioxit là cốt lõi của câu chuyện và vì vậy, có thể nói mạng toàn cầu (World Wide Web) được dệt nên từ những sợi thuỷ tinh. Đa số con người hiếm khi nhận ra được cách thuỷ tinh đóng góp vào hệ thống này.

8. Gương

Quay lại chủ đề Selfie kết nối với sự bùng nổ xu hướng ưa thích chân dung tự hoạ trong thời Phục Hưng là hệ quả trực tiếp từ một đột phá công nghệ khác về xử lý thuỷ tinh. Thuỷ tinh được kết hợp với thuật luyện kim bằng cách: phủ hợp kim thuỷ ngân và thép lên mặt sau của tấm kính để tạo ra gương. Điều đặc biệt nữa là chính vào lúc thấu kính thuỷ tinh mở mang tầm nhìn cho chúng ta về những vì sao và vi sinh vật thì gương thuỷ tinh lại giúp chúng ta lần đầu tiên thấy được chính mình. Gương trở thành công cụ đóng vai trò chủ đạo cho phép các danh hoạ nổi tiếng vẽ chân dung tự hoạ, đồng thời tạo ra phép vẽ phối cảnh. Người ta nói rằng gương không tạo ra thời Phục Hưng, nhưng thật khó tưởng tượng nếu thời Phục Hưng thiếu gương.

Lời kết

Thuỷ tinh bắt đầu hành trình của mình như những món trang sức và những chiếc lọ rỗng, không chỉ giúp chúng ta thấy thế giới vô hình của tế bào và vi sinh vật, hay kết nối toàn cầu qua máy ảnh điện thoại, hoặc nhìn thấy chính mình mà còn hoá thành cỗ máy thời gian (kính viễn vọng) ở đỉnh Mauna Kea.

Ở mức độ cơ bản nào đó, thật khó tượng tượng nổi thiên niên kỷ vừa qua sẽ ra sao nếu thiếu các mảnh thuỷ tinh trong suốt. Một thế giới không có thuỷ tinh sẽ không chỉ thay đổi diện mạo những công trình của nền văn minh (các nhà thờ lớn và đô thị hiện đại sẽ không có các khung cửa kính) mà còn làm thay đổi nền tảng của các tiến bộ hiện đại (con người không biết về tế bào, vi khuẩn, virus hay kiến thức về di truyền của con người; kiến thức thiên văn về vị trí của con người trong vũ trụ. Đúng là không có vật chất nào trên Trái Đất có quan hệ với các đột phá về nhận thức trên hơn thuỷ tinh.

(Tác giả: Kim Cúc)