Kính làm từ cát như thế nào: từ hạt cát trắng tới tấm kính cửa sổ

Kính cửa sổ được làm chủ yếu từ cát thạch anh trắng, trộn thêm sô-đa và đá vôi, nấu chảy ở khoảng 1.500 °C thành một chất lỏng sánh như mật. Chất lỏng ấy được đổ lên một bể thiếc nóng chảy để dàn phẳng tuyệt đối, rồi làm nguội thật chậm thành tấm kính. Hạt cát đục, kính trong suốt, nhưng về bản chất chúng gần như cùng một chất: silic đioxit.

Không phải cát nào cũng làm được kính

Cát ở bãi biển hay lòng sông là hỗn hợp nhiều loại hạt: thạch anh, mảnh vỏ sò, mảnh đá, đất sét, khoáng vật chứa sắt. Muốn làm kính trong, người ta cần cát gần như toàn thạch anh, ít sắt.

Việt Nam có một mỏ cát nổi tiếng thế giới vì độ sạch: cát trắng Cam Ranh (Khánh Hoà), hàm lượng thạch anh rất cao, trắng như muối. Cát trắng ven biển ở Quảng Ninh và nhiều nơi miền Trung cũng được khai thác cho nghề thuỷ tinh. Cát vàng xây nhà thì không dùng được cho kính trong: chính lượng sắt làm cát vàng sẽ khiến kính ngả màu nâu xanh.

Ngay cả kính tốt nhất vẫn còn chút sắt. Vì thế nếu bạn nhìn nghiêng vào cạnh dày của một tấm kính, bạn sẽ thấy nó có màu xanh lá. Mặt kính thì trong vì ánh sáng chỉ đi qua vài milimét; nhìn vào cạnh, ánh sáng phải đi qua cả chiều rộng tấm kính, màu xanh mới hiện ra.

Công thức của kính cửa sổ

Thạch anh nguyên chất chỉ chảy ở khoảng 1.700 °C, quá nóng để nấu với số lượng lớn một cách rẻ. Từ hàng nghìn năm trước, người làm thuỷ tinh đã biết mẹo thêm chất "trợ chảy". Kính thông dụng nhất ngày nay gọi là kính sô-đa – vôi:

Nguyên liệu	Phần trăm gần đúng trong kính	Để làm gì
Cát thạch anh (silic đioxit)	khoảng 70–74%	Bộ khung chính của kính
Sô-đa (natri cacbonat)	khoảng 12–15% (tính theo natri oxit)	Hạ nhiệt độ chảy xuống nhiều trăm độ
Đá vôi (cho canxi oxit)	khoảng 8–12%	Giúp kính không bị nước hoà tan dần, bền hơn
Một ít chất khác	vài phần trăm	Chỉnh màu, độ bền, khử bọt

Nhà máy còn cho thêm rất nhiều kính vụn tái chế. Kính vụn chảy ở nhiệt độ thấp hơn cát, nên mỗi tấn kính vụn đưa vào lò giúp tiết kiệm năng lượng và giảm khí thải. Đó là lý do chai lọ thuỷ tinh nên được phân loại riêng khi bỏ đi.

Kính có "đông cứng" như nước đá không

Khi nước đóng băng, các phân tử xếp thành mạng tinh thể ngay ngắn. Kính thì khác. Khi nguội, chất lỏng kính đặc quánh dần, các nguyên tử không kịp xếp hàng ngay ngắn mà "đứng hình" trong thế lộn xộn như lúc còn lỏng. Người ta gọi kính là chất rắn vô định hình.

Chính vì không có những ranh giới tinh thể làm ánh sáng tán xạ, kính mới trong suốt, còn hạt cát (gồm những tinh thể nhỏ lởm chởm, nhiều vết nứt) lại trông trắng đục.

Bạn có thể đã nghe chuyện "kính cửa sổ nhà thờ cổ dày ở phía dưới vì kính chảy xuống qua hàng trăm năm". Đây là chuyện không đúng. Các nhà khoa học tính rằng kính ở nhiệt độ phòng chảy chậm tới mức không thể thấy được trong hàng tỉ năm. Kính cổ dày mỏng không đều chỉ vì cách làm thủ công thời đó không tạo được tấm phẳng, và thợ thường lắp phía dày xuống dưới cho chắc.

Từ thổi kính tới kính nổi

Các hạt cườm thuỷ tinh cổ nhất được tìm thấy ở vùng Lưỡng Hà, có tuổi khoảng 4.500 năm. Khoảng thế kỷ 1 trước Công nguyên, ở vùng ven Địa Trung Hải, người ta phát minh ra ống thổi: một ống kim loại dài, chấm vào khối thuỷ tinh nóng chảy rồi thổi phồng lên như bong bóng. Từ đó mới có chai lọ, cốc chén thuỷ tinh rẻ.

Làm kính phẳng thì khó hơn nhiều. Trong nhiều thế kỷ, thợ thổi một quả bóng kính to rồi quay tròn cho nó bẹt thành một đĩa, hoặc thổi thành một ống dài rồi xẻ dọc và dàn phẳng. Tấm kính vẫn gợn sóng, nhìn qua thấy cảnh vật méo.

Bể thiếc: phát minh làm thay đổi mọi ô cửa

Năm 1959, công ty Pilkington ở Anh công bố cách làm do Alastair Pilkington và cộng sự phát triển: kính nổi. Các bước diễn ra liên tục như một dòng sông kính:

1. Cát, sô-đa, đá vôi, kính vụn được nấu chảy trong một lò lớn ở khoảng 1.500–1.600 °C, giữ trong lò đủ lâu để bọt khí nổi lên hết.
2. Kính lỏng chảy ra, tràn lên mặt một bể thiếc nóng chảy. Thiếc nặng hơn kính nên kính nổi trên thiếc, như dầu nổi trên nước.
3. Mặt thiếc lỏng phẳng tuyệt đối, nên mặt dưới của kính phẳng theo. Mặt trên tự dàn phẳng nhờ trọng lực. Tốc độ kéo và các con lăn hai bên quyết định kính dày hay mỏng.
4. Kính nguội dần khi trôi dọc bể, đủ cứng thì được nâng lên các con lăn.
5. Kính đi qua một lò ủ dài, nguội từ từ trong nhiều phút để không còn ứng suất bên trong. Kính nguội quá nhanh sẽ tự nứt vỡ khi cắt.
6. Cuối dây chuyền, máy cắt kính thành tấm, đóng kiện.

Ngày nay gần như mọi tấm kính phẳng cho nhà cửa, ô tô trên thế giới đều bắt đầu từ cách làm này, kể cả ở các nhà máy kính nổi tại Việt Nam.

Kính thường, kính cường lực, kính dán

• Kính thường (kính ủ): khi vỡ tạo thành những mảnh to, nhọn sắc, rất nguy hiểm.
• Kính cường lực: kính đã cắt xong được nung lại tới khoảng 600 °C rồi thổi khí lạnh thật mạnh lên hai mặt. Mặt ngoài nguội và cứng trước, lõi nguội sau co lại kéo mặt ngoài vào, khiến mặt kính luôn bị ép chặt. Kính cường lực chịu va đập tốt hơn kính thường nhiều lần, và khi vỡ thì vụn ra thành hạt nhỏ ít sắc. Nó không cắt được sau khi đã tôi, nên phải cắt đúng kích thước trước.
• Kính dán (kính an toàn nhiều lớp): hai tấm kính kẹp một lớp phim nhựa dẻo ở giữa. Khi vỡ, mảnh kính dính vào phim, không văng ra. Kính chắn gió phía trước ô tô và lan can kính thường là loại này.

Ngoài ra còn kính phủ một lớp kim loại mỏng hơn sợi tóc rất nhiều lần, để phản xạ bớt nhiệt của nắng mà vẫn cho ánh sáng đi qua, dùng nhiều ở nhà cao tầng vùng nóng.

Thử làm: ba quan sát về kính

1. Cát dưới kính lúp. Lấy một nhúm cát xây nhà và một nhúm cát trắng (cát bể cá trắng hoặc cát biển). Rải lên tờ giấy đen, soi bằng kính lúp. Bạn sẽ thấy những hạt trong như mảnh kính vỡ tí hon: đó là thạch anh. Đếm thử trong 20 hạt có bao nhiêu hạt trong, bao nhiêu hạt màu. Cát trắng có nhiều hạt trong hơn hẳn.

2. Màu xanh giấu trong kính. Tìm một tấm kính có cạnh đã mài nhẵn (mặt bàn kính, kệ kính trong tủ). Nhìn thẳng qua mặt kính, rồi cúi xuống nhìn ngang vào cạnh. Màu xanh lá hiện rõ. Chỉ nhìn, không chạm vào cạnh kính chưa mài.

3. Bí mật của kính cường lực. Đeo một chiếc kính râm phân cực (loại chống chói, nhiều người lớn có) và nhìn vào kính cửa sau hoặc cửa bên của ô tô dưới trời sáng. Nghiêng đầu từ từ. Bạn sẽ thấy những vệt, đốm loang lổ màu tối xếp đều như hoa văn. Đó là dấu vết những chỗ vòi khí lạnh thổi vào khi tôi kính, nơi kính bị ép chặt hơn. Kính thường ở cửa sổ nhà bạn sẽ không có hoa văn này.

Ghi vào vở: kính nào có hoa văn, kính nào không. Bạn vừa phân biệt được kính cường lực mà không cần đập vỡ tấm nào.

Câu hỏi thường gặp

Kính được làm từ gì?

Kính cửa sổ thông thường làm từ cát thạch anh, sô-đa và đá vôi, thêm kính vụn tái chế. Hỗn hợp được nấu chảy ở khoảng 1.500 °C rồi làm nguội chậm thành tấm.

Vì sao cát đục mà kính lại trong suốt?

Hạt cát gồm các tinh thể nhỏ có mặt gồ ghề và vết nứt làm ánh sáng tán xạ nên trông đục. Kính là chất rắn vô định hình liền một khối, không có ranh giới bên trong, nên ánh sáng đi xuyên qua.

Kính nổi là gì?

Kính nổi là kính phẳng làm bằng cách cho kính nóng chảy nổi trên một bể thiếc lỏng. Mặt thiếc phẳng tuyệt đối giúp tấm kính phẳng và đều. Cách làm này được công bố ở Anh năm 1959 và nay là cách làm kính phẳng phổ biến nhất.

Kính cường lực khác kính thường thế nào?

Kính cường lực được nung lại rồi làm nguội nhanh hai mặt, nên mặt kính luôn bị ép chặt và chịu va đập tốt hơn nhiều lần. Khi vỡ, nó vụn thành hạt nhỏ thay vì mảnh to sắc như kính thường.

Vì sao cạnh tấm kính có màu xanh?

Trong kính có một lượng sắt rất nhỏ từ cát. Qua bề dày vài milimét thì không thấy màu, nhưng nhìn vào cạnh, ánh sáng đi qua cả chiều rộng tấm kính nên màu xanh của sắt hiện ra.