CAM KATI BİR MADDE MİDİR YOKSA SIVI MI?

Bu soruya herkes farklı bir yanıt verir. Bazıları sıvı oldu­ğunu savunur. Bunun temel nedeni, camların üretim aşama­sında donma olarak adlandırılan faz değişimini yaşamaması- dır. Hatırlarsanız; sıvılar içine konduğu kabın şeklini alır. Kati­larsa hangi kaba koyarsanız koyun şekillerini korurlar. Bu ta­nımlarda dikkatimizi çekmesi gereken nokta, zamandan hiç bahsedilmemesidir. Gliserin ve bal gibi yavaş akan sıvıları düşünelim. Oldukça kıvamlı bir baldan bir miktarını bir kaba koyduğumuzda, balın kaba düzgün yayılması birkaç saat sü­rebilir. Peki, çok daha kıvamlı bir maddenin akarak kabın şek­lini alması için daha uzun bir süre beklemek gerekiyorsa, ör­neğin milyonlarca yıl gibi, bu durumda o maddeyi nasıl sınıf­landıracağız?

Çoğunuz balın soğuduğunda daha kıvamlı hâle gelerek daha yavaş aktığını gözlemlemişsinizdir. Camların da akış­kanlıkları soğuduklarında azalır. Üretim aşamasında cama şekil verilirken bu özellik oldukça yararlıdır. Önce cam kolayca şekil verilebilecek kıvama gelinceye kadar ısıtılır, sonra da al­dığı şekli koruması için soğutulur. Soğutma işlemi camın akışkanlığını önemli ölçüde azaltır fakat tamamen durdurmaz. İşte tam bu noktada camla diğer sıvılar birbirinden ayrılır. Ör­neğin, balı çok soğutursanız belli bir sıcaklıkta kristalleşmeye,
yani katı faza geçmeye başlar. Bu, suyun donarak buz hâline geçmesiyle aynı olaydır. Bir sıvı bu şekilde katılaştıktan sonra da, tüm moleküller katı içinde sabit konuma geçtikleri için akışkanlık tamamen durur. Buna karşın camlarda bu donma olayına hiçbir zaman rastlanmaz. Bu nedenle, üretim aşama­sından oda sıcaklığına kadar soğutulan camların akışkanlığı­nın oldukça azaldığı ama hiçbir zaman sıfırlanmadığı iddia edilir. Yani bu yoruma göre, bir kaba konulan cam parçaları­nın milyarlarca yıl sonra, belki de çok daha uzun bir süre geç­tikten sonra kaba düzgün yayılıp kabın şeklini alması beklenir.

Peki, cam neden donmaz? Donma olayının iki temel özel­liği vardır: Birincisi hareketli moleküllerin artık hareket edemez duruma gelip yerlerinde sabit kalması, İkincisi de bu molekül­lerin kristal yapı olarak adlandırdığımız düzen içinde yerlerini almasıdır. Doğadaki hemen hemen her katı madde böyle bir kristal yapıya sahiptir. Donma, ortamda bulunan bir kristale diğer moleküllerin eklemlenmesi, böylece kristalin büyümesi sonucu gerçekleşir. Ama eğer sıvı molekülleri, üzerine düz­gün eklenecekleri bir kristal çekirdeği bulamazlarsa donma gerçekleşmez. Bu olaya aşırı soğuma deniyor. Örneğin, su – 20°C.ye kadar aşırı soğutulabilir.

Cam da aşırı soğutulmuş bir sıvıdır. Örneğin, kum, kireç ve karbonat eriyiğinden elde edilen camın normal donma sı­caklığı 800°C kadardır fakat karışım 500°C’ye kadar sıvı özel­liğini kaybetmeden aşırı soğutulabilir. Bunun da temel nedeni, eriyik içinde büyüme çekirdeği niteliğinde kristallerin oluşa­maması, daha doğrusu bu tip çekirdeklerin oluşmasının ve büyümesinin uzun zaman almasıdır. Yani, karışım uzun bir süre bu sıcaklıklarda bekletiliyor olsa, eninde sonunda kristal­leşip katı faza geçer. Camlara işte bu sıcaklık aralığında şekil verilir.

Peki, bu tip aşırı soğutulan sıvıyı daha da soğutursanız ne olur? Su örneği için cevap basittir. Suyun içinde, herhangi bir yerde yeterli büyüklükte bir kristal oluştuğu anda, kristal çok hızlı bir şekilde büyür ve su bir saniye içinde tamamen buza dönüşür. Camlarda bu olamadığı için daha da soğutul­duklarında moleküllerin komşularıyla kalıcı bağlar kurup sabit konumlara yerleştikleri gözlemlenir. Fakat moleküllerin yerleş­tikleri konumlar kristallerdeki gibi düzenli değil, tamamen rastgeledir. Bu yapılara amorf den ir. Oda sıcaklığındaki cam­lar, molekülleri hareket etmeyen fakat düzenli de durmayan bir yapıya sahiptir.

Moleküller yerlerinde sabit olduğu için camın akması gibi bir şey söz konusu olamaz ve bu nedenle oda sıcaklığındaki camlar da katilar gibi davranırlar. Örneğin, pencere camının ortasına bastırdığınızda cam elastik olarak eğilir. Elinizi geri çektiğinizde tekrar eski hâlini alır. Böyle bir davranışa hiçbir sıvıda rastlanmaz; bu tamamen katilara özgü bir şeydir.

Bu nedenle, birçok bilim insanı camları amorf katilar ola­rak tanımlar. Peki, bu bir kaba konan cam parçalarının, mil­yarlarca yıl sonra kaba düzgün yayılmasını engeller mi? Pek değil. Doğadaki katiların çoğunluğunun kristal yapıda olması, kristal yapının çok daha kararlı olduğunu gösterir. Bu anlam­da, camın molekülleri de bağlarını bozup yeni bağlar kurarak bu daha kararlı kristal yapıya geçme eğilimindedirler. Bu çok yavaş işleyen bir mekanizma ama ne kadar yavaş olsa da, moleküller arası bağlar yeniden kurulurken makroskopik maddenin şeklini değiştirmesi ve kaba düzgün yayılma eğilimi göstermesi mümkündür. Ancak belirttiğimiz gibi bu, pratikte ölçülemeyecek kadar küçük bir hareket olacaktır.