Cam; Katı mı, Sıvı mı?
loading...
Akışkanlık açısından sıvıların çok çeşitli olduğunu hatırlayalım. Örneğin elimizde bir bardak içinde bir sıvı olsun ve biz bu bardağı ters çevirerek sıvıyıboşaltmaya çalışalım. Değişik sıvılar, değişik sürelerde boşalır. Örneğin su 1 saniye içinde tamamen bardağı terk eder. Bal veya gliserin gibi daha kıvamlısıvılar için bu süre daha uzundur. Diyelim 1 dakika. Sıvıların akışkanlıközelliklerini belirleyen viskoside (ağdalılık) diye adlandırdığımız nicel birözellikleri var. Değişik sıvılarda bu nicelik çok farklı değerler alıyor. Bununalabileceği değerlerin bir en yüksek veya en düşük değeri de yok (kuramsalolarak böyle bir sınırlama yok). Dolayısıyla, baldan çok daha fazla ağdalısıvılar da olabilir. Örneğin daha ağdalı bir sıvı bardağı 1 ayda boşaltır, çokdaha ağdalı olan başka biri 1 yılda vs. Peki, eğer bir sıvı bardağı çok çok dahauzun bir süre, diyelim 10 trilyon yıl (evrenin yaşının 1000 katı) içinde boşaltıyorsa, o zaman bu sıvıya gerçekten “sıvı” diyebilir miyiz?
Burada süre o kadar uzun ki, bu maddenin gerçekten akmaya başladığını değil gözlerimizle, hassas deney aletleriyle bile algılamamız imkansız.Bu bilimsel bir soru olmaktan daha çok, kullandığımız dille ilgili bir soru (veyafelsefi bir soru). Aslında bu maddenin bir sıvı olduğunu baştan kabul ettik.Sıvılar için kullandığımız bir niceliği, viskositeyi, bu maddeyi tarif etmek içinkullanıyoruz. Bunun bildiğimiz sıvılardan tek farkı, sadece viskosite değerininaşırı derecede büyük olması. Büyük veya değil, böyle bir niceliğin söz konusuolması ne kadar yavaş olsa da akışkanlık anlamına geliyor, bu da o maddesıvıdır demektir. Ama, pratik anlamda bakarsak, bardağın içine koyduğumuzşey bizim zaman ölçeklerimize göre (1 yıl, 10 yıl veya 1000 yıl içinde) farkedilebilir hiç bir akma belirtisi göstermiyorsa, o zaman bu şeyin katılardanfarklı olduğunu nasıl iddia edebiliriz? Bazı bilim adamları bu soruyu “pratik”anlamda cevaplamak için rasgele bir sınır koymuşlar: Eğer bir cisim 2 yıliçinde herhangi bir akma belirtisi göstermiyorsa, o cisim pratik anlamda birkatıdır. Buradaki “2 yıl” süresi biraz rasgele bir sayı, ama bunun dasavunulabilir bir yönü var. İki yıl, bir doktora öğrencisinin yapabileceği en uzundeney süresi. Gerçi çok daha uzun süren deneyler de yapılmış geçmişte amaen azından bir öğrencinin öğrenim süresi içinde yapabileceği deney olarak 2yıl oldukça uzun bir süre. Cam, bu anlamda bir katı (yani pratik anlamda).Peki, madem camın aktığını gözlemleyemiyoruz, o halde camın sıvı olduğuiddiası nereden kaynaklanıyor? Bu biraz camın yapılma süreciyle ilgili bir şey.Camın nasıl yapıldığı hakkında başka kaynaklardan gerekli bilgilerialabilirsiniz. Ben burada sadece konumuz için gerekli olanlar üzerindeduracağım. Önce “aşırı soğutma” dediğimiz bir olguyu açıklamayaçalışacağım. Aşırı soğutma, bir sıvıyı donma noktasının altındaki sıcaklıklara,herhangi bir donma belirtisi göstermeksizin soğutmaya deniyor. Örneğin safsu, bir atmosfer basınç altında -10 dereceye kadar aşırı soğutulabilir. Buşartlar altında suyun donma noktası 0 derece. Ama bazı şartlar altında,herhangi bir donma olmaksızın daha düşük sıcaklıklarda da su elde etmekmümkün. Böyle bir su oldukça kararsızdır. Örneğin, suyun içine bir kaşıkatarsanız, su aniden donar. Dolayısıyla, aşırı soğutma şartlarından biri busüreç içinde kabı fazla sallamamak. Bunun dışında da bazı başka şartlar varelbette.Aşırı soğumanın nedeni şu. Normalde bir sıvının, örneğin suyun, donmayabaşlaması için sıvı içinde bir katı çekirdeği oluşması gerekir. Sonra, sıvıdakimoleküller tek tek katı çekirdek üzerine eklenerek bu katı kütleyi yavaş yavaşbüyütürler. Yani, donma her yerde aynı anda olmaz. Bir veya bir kaç yerdebaşlar ve bu noktaların çevresinde büyür. Aşırı soğutmayı gerçekleştirmek içinyapılabilecek iki şey var. (1) Çekirdek oluşmasını engellemek. Bu bir çoklarınagarip gelebilir ama donma noktasının altında bile, sıvının herhangi bir yerindebir çekirdek oluşması oldukça zor. Bunun nedeni yüzey gerilimi kuvvetiyle ilgilibir şey ama ikisi arasındaki ilişkiyi burada açıklamak gereksiz. Ama,çekirdekler sıvı içinde bir düzensizlik olduğu zaman çok rahat oluşabiliyor. Budüzensizlik sıvı içinde bir toz parçası olabilir (katı, toz parçasının çevresindebüyümeye başlar) veya kabın duvarlarında çizik gibi şeyler. Suyu aşırısoğutabilmek için kullandığınız kabın temiz ve çiziksiz, suyun da yeteri kadartemiz olması gerekiyor. (2) Çekirdeğin büyüme hızını azaltmak da donmahızını azaltır. Eğer sıvının akışkanlığı düşükse (yüksek ağdalılık), o zamansıvı molekülleri oldukça yavaş hareket ettiklerinden, bir çekirdek oluşsa bile buoldukça yavaş büyür.Camlar ikinci teknik kullanılarak oluşturulmuş aşırı soğutulmuş sıvılardır.Camın yapımında kullanılan karışım en başta normal sıvı olduğu (donmanoktasının üzerinde) sıcaklıktadır. Sonra karışım hızla soğutulur (“hızla”derken bize göre değil de, donma hızına göre hızla demek istiyorum). Busüreç içinde sıvı içinde donmuş çekirdekler oluşsa bile, büyüyecek zamanlarıolmaz. Karışımı ne kadar soğutursanız, viskosite (ağdalılık) o kadar artar,dolayısıyla çekirdek büyüme hızı da o derece azalır. Cam, normal odasıcaklığına geldiğinde hala bu sıvı özelliklerini korumaktadır ama akışkanlığı okadar düşmüştür ki, artık pratik olarak bunun bir sıvı olduğu fark edilemez.İşte camın sıvı olduğunu iddia edenlerin dayanak noktaları bu. Kısacası,camın hala bir sıvı olduğunu ve akmaya devam ettiğini, sadece bizim bunufark edemediğimizi söylerler.Son olarak atomik yapı. İki farklı tür yapıdan bahsedebiliriz. Bunlardan birincisiatomların yan yana düzgün olarak dizildikleri yapılar ki biz bu yapılara kristaldiyoruz. Çevremizde gördüğümüz neredeyse tüm katılar kristal yapıdadır.Kristal yapının bir katının girebileceği en düşük enerjili yapı olduğunu dasöyleyebiliriz. Bunun dışında, atomların düzensiz olarak yerleştirildiği “katı”yapılara da amorf diyoruz. Camlar amorf yapıda. Gerçi amorf yapılarda kısaerimli bir düzen vardır ama bunlar kristaller kadar düzenli değildir. Örneğin,düzensiz yapılaşmış bir kent düşünün. Daha önce yapılan evlerin yakınlarınayeni yapılan binalar bunlara uygun yapılmıştır ve dolayısıyla bir takım sokaklaroluşmuştur, ama tüm kent düşünüldüğünde sokaklar rasgele yönlerdedir.Tamamen düzenli bir kentteyse, kentteki bütün sokaklar ya doğu-batı veyakuzey-güney doğrultusundadır. Neyse, enerji açısından düşünüldüğündeamorf bir yapı, atomlarının yerini değiştirerek kristal bir yapıya girmeeğilimindedir. Camda da bu kuşkusuz doğru. Fakat, bir kaç atomunyerlerinden ayrılarak başka yerlere gitmelerinin önünde enerji açısında yüksekengeller var. Eğer bu engeller aşılırsa, kristal yapının büyümesi söz konusu.Kısacası, yukarıda anlattığım şeyler hala geçerli. Aşırı donmuş bir sıvı, halakatı çekirdeklerin (kristal) büyümesi devam ediyor ama bu süreç çok yavaşişliyor. Önemli bir nokta bu sürecin kristalleşmeyle (gerçek anlamıylakatılaşma, donma) bitmesi. Fakat, bu süreç devam ederken makro ölçekteşekil değişikliği olması da mümkün (akma). Demek istediğim, cam bir sıvı olsabile, bal veya su gibi akıp giden bir sıvı değildir. Hareketin sonu her zamandonmadır.Son olarak, amorf yapıda bile katı özelliklerinin gösterildiğini belirtelim.Örneğin, esneklik. Bir pencere camını ortadan parmağınızla iterseniz, camzorladığınız yönde şeklini değiştirir. Fakat, parmağınız çeker çekmez tekrargeri gelir. Hiç bir sıvıda görmediğiniz bir özellik bu. Bunun anlamı amorfyapıdaki atomların deformasyon sırasında ve parmak kalktıktan sonrabirbirlerine göre konumlarını az çok korumaları. Bir sıvıda ise parmağımızıbastığımız anda, atomlar büyük oranda yer değiştirir, bazı atomlarkomşularından tamamen uzaklaşır, yeni komşular kazanır vs. Parmağımızıçektikten sonra da, sıvı bu yeni atomik yapıyı başlangıç alarak akmaya devameder (esnek maddelerde olduğu gibi, ilk konuma dönemez).Sonuç olarak, herkesin yaptığı gibi, son kararı siz verin. Cam katı mıdır, sıvımıdır, yoksa kendine özgü bir madde midir, bu tamamen size kalmış. Amapratik tanımların kullanışlılığını da göz ardı etmeyin: Kafanızı bir camaçarparsanız bu kuramsal tartışmanın hiç bir önemi kalmaz.
Kaynak: Bilim Teknik Dergisi, Tübitak, Sadi Turgut