Cam Katımıdır?

Cam neden katı sınıfına sokulmaz? (Hamdi Çorlu) Cam neden katı değildir? (Jülide Tavlı)

Bunu daha önce cevaplamaya çalışmıştık.
Cam neden katı madde değildir? (Mert Uçar)
Burada da aynı açıklamaya veriyorum, belki biraz daha farklı kelimeler kullanarak. Camın hemen hemen bütün özellikleri katı gibi davrandığını gösteriyor. Peki neden bazıları camı sıvı olarak düşünüyor? Önce bunu açıklamaya çalışalım.
Akışkanlık açısından sıvıların çok çeşitli olduğunu hatırlayalım. Örneğin elimizde bir bardak içinde bir sıvı olsun ve biz bu bardağı ters çevirerek sıvıyı boşaltmaya çalışalım. Değişik sıvılar, değişik sürelerde boşalır. Örneğin su 1 saniye içinde tamamen bardağı terk eder. Bal veya gliserin gibi daha kıvamlı sıvılar için bu süre daha uzundur. Diyelim 1 dakika. Sıvıların akışkanlık özelliklerini belirleyen viskoside (ağdalılık) diye adlandırdığımız nicel bir özellikleri var. Değişik sıvılarda bu nicelik çok farklı değerler alıyor. Bunun alabileceği değerlerin bir en yüksek veya en düşük değeri de yok (kuramsal olarak böyle bir sınırlama yok). Dolayısıyla, baldan çok daha fazla ağdalı sıvılar da olabilir. Örneğin daha ağdalı bir sıvı bardağı 1 ayda boşaltır, çok daha ağdalı olan başka biri 1 yılda vs. Peki, eğer bir sıvı bardağı çok çok daha uzun 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 (veya felsefi bir soru). Aslında bu maddenin bir sıvı olduğunu baştan kabul ettik. Sıvılar için kullandığımız bir niceliği, viskositeyi, bu maddeyi tarif etmek için kullanıyoruz. Bunun bildiğimiz sıvılardan tek farkı, sadece viskosite değerinin aşırı derecede büyük olması. Büyük veya değil, böyle bir niceliğin söz konusu olması ne kadar yavaş olsa da akışkanlık anlamına geliyor, bu da o madde sıvıdır demektir. Ama, pratik anlamda bakarsak, bardağın içine koyduğumuz şey bizim zaman ölçeklerimize göre (1 yıl, 10 yıl veya 1000 yıl içinde) fark edilebilir hiç bir akma belirtisi göstermiyorsa, o zaman bu şeyin katılardan farklı olduğunu nasıl iddia edebiliriz? Bazı bilim adamları bu soruyu �pratik� anlamda cevaplamak için rasgele bir sınır koymuşlar: Eğer bir cisim 2 yıl içinde herhangi bir akma belirtisi göstermiyorsa, o cisim pratik anlamda bir katıdır. Buradaki �2 yıl� süresi biraz rasgele bir sayı, ama bunun da savunulabilir bir yönü var. İki yıl, bir doktora öğrencisinin yapabileceği en uzun deney süresi. Gerçi çok daha uzun süren deneyler de yapılmış geçmişte ama en azından bir öğrencinin öğrenim süresi içinde yapabileceği deney olarak 2 yıl oldukça uzun bir süre. Cam, bu anlamda bir katı (yani pratik anlamda).
Peki, madem camın aktığını gözlemleyemiyoruz, o halde camın sıvı olduğu iddiası nereden kaynaklanıyor? Bu biraz camın yapılma süreciyle ilgili bir şey. Camın nasıl yapıldığı hakkında başka kaynaklardan gerekli bilgileri alabilirsiniz. Ben burada sadece konumuz için gerekli olanlar üzerinde duracağım. Önce �aşırı soğutma� dediğimiz bir olguyu açıklamaya çalışacağım. Aşırı soğutma, bir sıvıyı donma noktasının altındaki sıcaklıklara, herhangi bir donma belirtisi göstermeksizin soğutmaya deniyor. Örneğin saf su, bir atmosfer basınç altında -10 dereceye kadar aşırı soğutulabilir. Bu şartlar altında suyun donma noktası 0 derece. Ama bazı şartlar altında, herhangi bir donma olmaksızın daha düşük sıcaklıklarda da su elde etmek mümkün. Böyle bir su oldukça kararsızdır. Örneğin, suyun içine bir kaşık atarsanız, su aniden donar. Dolayısıyla, aşırı soğutma şartlarından biri bu süreç içinde kabı fazla sallamamak. Bunun dışında da bazı başka şartlar var elbette.
Aşırı soğumanın nedeni şu. Normalde bir sıvının, örneğin suyun, donmaya başlaması için sıvı içinde bir katı çekirdeği oluşması gerekir. Sonra, sıvıdaki moleküller tek tek katı çekirdek üzerine eklenerek bu katı kütleyi yavaş yavaş büyütürler. Yani, donma her yerde aynı anda olmaz. Bir veya bir kaç yerde başlar ve bu noktaların çevresinde büyür. Aşırı soğutmayı gerçekleştirmek için yapılabilecek iki şey var. (1) Çekirdek oluşmasını engellemek. Bu bir çoklarına garip gelebilir ama donma noktasının altında bile, sıvının herhangi bir yerinde bir çekirdek oluşması oldukça zor. Bunun nedeni yüzey gerilimi kuvvetiyle ilgili bir şey ama ikisi arasındaki ilişkiyi burada açıklamak gereksiz. Ama, çekirdekler sıvı içinde bir düzensizlik olduğu zaman çok rahat oluşabiliyor. Bu düzensizlik sıvı içinde bir toz parçası olabilir (katı, toz parçasının çevresinde büyümeye başlar) veya kabın duvarlarında çizik gibi şeyler. Suyu aşırı soğutabilmek için kullandığınız kabın temiz ve çiziksiz, suyun da yeteri kadar temiz olması gerekiyor. (2) Çekirdeğin büyüme hızını azaltmak da donma hızını azaltır. Eğer sıvının akışkanlığı düşükse (yüksek ağdalılık), o zaman sıvı molekülleri oldukça yavaş hareket ettiklerinden, bir çekirdek oluşsa bile bu oldukça yavaş büyür.
Camlar ikinci teknik kullanılarak oluşturulmuş aşırı soğutulmuş sıvılardır. Camın yapımında kullanılan karışım en başta normal sıvı olduğu (donma noktasının üzerinde) sıcaklıktadır. Sonra karışım hızla soğutulur (�hızla� derken bize göre değil de, donma hızına göre hızla demek istiyorum). Bu süreç içinde sıvı içinde donmuş çekirdekler oluşsa bile, büyüyecek zamanları olmaz. Karışımı ne kadar soğutursanız, viskosite (ağdalılık) o kadar artar, dolayısıyla çekirdek büyüme hızı da o derece azalır. Cam, normal oda sıcaklığına geldiğinde hala bu sıvı özelliklerini korumaktadır ama akışkanlığı o kadar 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 bunu fark edemediğimizi söylerler.
Son olarak atomik yapı. İki farklı tür yapıdan bahsedebiliriz. Bunlardan birincisi atomların yan yana düzgün olarak dizildikleri yapılar ki biz bu yapılara kristal diyoruz. Çevremizde gördüğümüz neredeyse tüm katılar kristal yapıdadır. Kristal yapının bir katının girebileceği en düşük enerjili yapı olduğunu da söyleyebiliriz. Bunun dışında, atomların düzensiz olarak yerleştirildiği �katı� yapılara da amorf diyoruz. Camlar amorf yapıda. Gerçi amorf yapılarda kısa erimli bir düzen vardır ama bunlar kristaller kadar düzenli değildir. Örneğin, düzensiz yapılaşmış bir kent düşünün. Daha önce yapılan evlerin yakınlarına yeni yapılan binalar bunlara uygun yapılmıştır ve dolayısıyla bir takım sokaklar oluşmuştur, ama tüm kent düşünüldüğünde sokaklar rasgele yönlerdedir. Tamamen düzenli bir kentteyse, kentteki bütün sokaklar ya doğu-batı veya kuzey-güney doğrultusundadır. Neyse, enerji açısından düşünüldüğünde amorf bir yapı, atomlarının yerini değiştirerek kristal bir yapıya girme eğilimindedir. Camda da bu kuşkusuz doğru. Fakat, bir kaç atomun yerlerinden ayrılarak başka yerlere gitmelerinin önünde enerji açısında yüksek engeller var. Eğer bu engeller aşılırsa, kristal yapının büyümesi söz konusu. Kısacası, yukarıda anlattığım şeyler hala geçerli. Aşırı donmuş bir sıvı, hala katı çekirdeklerin (kristal) büyümesi devam ediyor ama bu süreç çok yavaş işliyor. Önemli bir nokta bu sürecin kristalleşmeyle (gerçek anlamıyla katılaşma, donma) bitmesi. Fakat, bu süreç devam ederken makro ölçekte şekil değişikliği olması da mümkün (akma). Demek istediğim, cam bir sıvı olsa bile, bal veya su gibi akıp giden bir sıvı değildir. Hareketin sonu her zaman donmadır.
Son olarak, amorf yapıda bile katı özelliklerinin gösterildiğini belirtelim. Örneğin, esneklik. Bir pencere camını ortadan parmağınızla iterseniz, cam zorladığınız yönde şeklini değiştirir. Fakat, parmağınız çeker çekmez tekrar geri gelir. Hiç bir sıvıda görmediğiniz bir özellik bu. Bunun anlamı amorf yapıdaki atomların deformasyon sırasında ve parmak kalktıktan sonra birbirlerine göre konumlarını az çok korumaları. Bir sıvıda ise parmağımızı bastığımız anda, atomlar büyük oranda yer değiştirir, bazı atomlar komşularından tamamen uzaklaşır, yeni komşular kazanır vs. Parmağımızı çektikten sonra da, sıvı bu yeni atomik yapıyı başlangıç alarak akmaya devam eder (esnek maddelerde olduğu gibi, ilk konuma dönemez).
Sonuç olarak, herkesin yaptığı gibi, son kararı siz verin. Cam katı mıdır, sıvı mıdır, yoksa kendine özgü bir madde midir, bu tamamen size kalmış. Ama pratik tanımların kullanışlılığını da göz ardı etmeyin: Kafanızı bir cama çarparsanız bu kuramsal tartışmanın hiç bir önemi kalmaz.