Cam Aslında Sıvı mıdır? Malzeme Bilimi Açısından Cam Yapısı

Avrupa'nın o görkemli, yüzlerce yıllık katedrallerini gezdiniz mi? Ya da en azından fotoğraflarına baktınız mı? Eğer dikkatli bir gözlemciyseniz veya yanınızda "biliyor muydun?" diye lafa girmeyi seven bir arkadaşınız varsa, şunu mutlaka duymuşsunuzdur:

"Bak, pencerelerin alt kısmı üst kısmından daha kalın. Görüyor musun? Çünkü cam aslında sıvıdır, sadece çok yavaş akar. Yüzyıllar içinde yerçekimiyle aşağı süzülmüş."

Kulağa ne kadar mantıklı geliyor değil mi?

Bir sıvı düşünün; bal gibi, zift gibi ama çok çok daha yavaş. Öyle ki akması için imparatorlukların kurulup yıkılması gerekiyor. Romantik, gizemli ve bilimsel bir tınısı var. Ama bir sorunumuz var.

Bu koca bir yalan.

Evet, biraz sert girdim ama malzeme bilimi duygusallığı pek sevmez. O pencerelerin altının kalın olmasının sebebi yerçekimi değil, o dönemin cam ustalarının üretim tekniğiydi (buna birazdan geleceğiz). Peki, cam sıvı değilse ne? Katı mı? Tam olarak o da değil.

Hoş geldiniz, amorf katıların tuhaf dünyasına giriş yapıyoruz.

Kristal Düzeni vs. Atomik Kaos: Düzenli Ordu ve Mosh Pit

Malzeme biliminin temeline, atomların nasıl dizildiğine bakalım. Doğadaki katıların çoğu (metaller, mineraller, buz) kristal yapı dediğimiz bir düzene sahiptir.

Bunu şöyle hayal edin: Bir kutu dolusu legoyu düşünün. Eğer bu legoları renklerine ve boyutlarına göre mükemmel bir simetriyle, boşluk bırakmadan üst üste dizerseniz, bu bir kristal yapıdır. Askeri bir geçit töreni gibi. Her atomun yeri bellidir, sürpriz yoktur.

Ama cam... Ah, o cam yok mu?

Camı oluşturan ana madde olan silika (SiO2), ergitilip soğutulduğunda kristalleşmeye fırsat bulamaz. Sıvı haldeki o karmaşık, rastgele atom dizilimi, soğuma o kadar hızlı gerçekleşir ki, atomlar düzenli bir sıraya (kristal yapıya) geçmeye vakit bulamadan oldukları yerde donup kalırlar.

Yine lego örneğine dönelim. O legoları kutunun içine rastgele fırlattığınızı, sallayıp sıkıştırdığınızı düşünün. Parçalar birbirine kilitlenmiş, kımıldamıyor, sert bir yapı oluşturmuş ama içeride hiçbir düzen yok. İşte cam budur. Biz buna amorf katı diyoruz. Yunanca amorphos (şekilsiz) kelimesinden gelir. Yani cam, kılık değiştirmiş bir kaosun, donmuş bir fotoğrafıdır.

Peki Neden "Sıvı" Diyorlar?

Bu kafa karışıklığının sebebi, camın atomik yapısının (o kaosun), bir sıvının anlık fotoğrafına çok benzemesidir. Bir sıvının fotoğrafını çekip zamanı dondurursanız, atom dizilimi cama benzer. Ama "yapısının benzemesi", onun "akışkan bir sıvı olduğu" anlamına gelmez.

Camsı Geçiş Sıcaklığı (Tg): Camın Kişilik Bölünmesi

Mühendislik fakültesindeki ilk yıllarımda beni en çok şaşırtan grafiklerden biri "Hacim - Sıcaklık" grafiğiydi.

Suyu düşünün. Suyu soğutursunuz, 0 dereceye geldiğinde şak diye donar. Hacmi aniden değişir, bir faz geçişi yaşar. Sıvıdan katıya net bir geçiş vardır.

Camda ise böyle bir "an" yoktur.

Camı ısıttığınızda belirli bir noktada erimez, yavaş yavaş yumuşar. Soğuttuğunuzda ise aniden donmaz, giderek kıvamı artar, artar ve sonunda o kadar ağdalı hale gelir ki artık hareket edemez. İşte bu davranış değişikliğinin yaşandığı o sihirli bölgeye Camsı Geçiş Sıcaklığı (Tg) diyoruz.

• Tg'nin üzerinde: Madde yumuşaktır, şekil verilebilir (cam üfleme ustalarını düşünün).
• Tg'nin altında: Madde serttir, kırılgandır ve "donmuş" haldedir.

Yani cam, termodinamik olarak bir sıvı gibi davranmaya çalışsa da, kinetik olarak (hareket kabiliyeti açısından) katı gibi davranır. Sıkışmış bir trafik gibidir; arabalar (atomlar) gitmek ister ama gidemezler.

Katedrallerdeki Camlar Neden Aşağı Doğru Kalın?

Gelelim şu meşhur efsaneye. Eğer cam oda sıcaklığında akmıyorsa, o pencereler neden yamuk?

Cevap, orta çağ teknolojisi: Crown Glass (Taç Camı) Yöntemi.

O dönemde bugünkü gibi dümdüz "float cam" üretecek teknoloji yoktu. Ustalar, erimiş camı bir borunun ucuna alıp üfler, sonra bunu bir tepsi gibi hızla döndürürlerdi. Merkezkaç kuvvetiyle cam yassılaşırdı. Ancak bu yöntemle üretilen camın her yeri eşit kalınlıkta olmazdı. Dış kenarlar daha ince, merkeze yakın kısımlar daha kalın olurdu.

Camcılar bu camları pencerelere takarken, statik denge ve estetik açıdan kalın (ağır) kısmı alta gelecek şekilde monte etmeyi tercih ederlerdi. Bazen de rastgele takarlardı (ki bazı eski pencerelerde kalın kısmın yanda veya üstte olduğunu da görebilirsiniz, bu da "akma" teorisini tamamen çürütür).

Yani olay yerçekimi değil, tamamen üretim hatası... ya da üretim karakteristiği diyelim.

Zift Damlası Deneyi ve Zaman Algımız

"Ama hocam," dediğinizi duyar gibiyim, "Hiç mi akmaz? Milyon yıl geçse de mi?"

Burada viskozite devreye giriyor. Viskozite, bir sıvının akmaya karşı gösterdiği dirençtir. Suyun viskozitesi düşüktür, balın yüksektir.

Camın oda sıcaklığındaki viskozitesi yaklaşık 10 üzeri 20 Poise civarındadır. Bu rakamın ne kadar saçma derecede büyük olduğunu anlatmak zor. Ama şöyle kıyaslayalım: Dünyanın en uzun süren deneyi olan Pitch Drop (Zift Damlası) deneyinde, ziftin (ki oda sıcaklığında çekiçle kırılacak kadar serttir) bir damlasının akması yaklaşık 10 yıl sürer. Ziftin viskozitesi sudan yaklaşık 230 milyar kat daha fazladır.

Camın viskozitesi ise ziftin viskozitesinden milyarlarca kat daha fazladır.

Bilimsel hesaplamalara göre, bir cam pencerenin gözle görülür şekilde "akması" veya kalınlığının değişmesi için geçmesi gereken süre, evrenin yaşından daha fazladır. Yani evet, teorik olarak her şey akar (dağlar bile jeolojik zamanlarda akar), ama camın akışkanlığı o kadar düşüktür ki, buna "katı" demek, mühendislik açısından en doğru yaklaşımdır.

Sonuç: Ne Katı Ne Sıvı, Kendine Has Bir Karakter

Cam, malzeme biliminin asi çocuğudur. Kristaller gibi disiplinli değildir, sıvılar gibi yerinde duramazlık etmez. O, arada kalmışlığın, düzensizliğin en sağlam halidir.

Bir dahaki sefere elinize bir cam bardak aldığınızda veya eski bir pencereden dışarı baktığınızda, sadece şeffaf bir malzemeye bakmadığınızı hatırlayın. Zamana karşı direnen, atomik bir kaosun donmuş anına bakıyorsunuz. Ve emin olun, o cam siz ona bakarken hiçbir yere gitmiyor, aşağıya doğru akmıyor. Olduğu yerde, moleküler karmaşası içinde gayet mutlu.

Belki de camı bu kadar büyüleyici yapan şey, ne tam anlamıyla sıvı ne de tam anlamıyla katı gibi davranmayıp, kendi kurallarını koyan bu "dördüncü hal" duruşudur.