Cam birçok yüze sahip bir malzemedir: Hem eski hem de modern, güçlü ama narindir ve hemen hemen her şekle veya renge uyum sağlayabilir. Camın bu özellikleri, insanların akıllı telefon ekranları ve fiber optik kablolardan aşıları tutan şişelere kadar her şeyi yapmak için kullanmalarının nedenidir.
İnsanlık camı bin yıldır bir şekilde kullanıyor ve araştırmacılar bugün cam için yeni kullanım alanları bulmaya devam ediyor. Camın aslında bir katı değil, bir sıvı olduğu sık sık tekrarlanan gerçeği duymak alışılmadık bir durum değildir. Ancak gerçek çok daha ilginç – cam bu kategorilerin hiçbirine tam olarak uymuyor ve birçok yönden maddenin kendi başına bir hali. Cam üzerine çalışan iki malzeme bilimcisi olarak, sürekli olarak bu eşsiz malzemeye ilişkin anlayışımızı geliştirmeye ve gelecekte camı kullanmanın yeni yollarını keşfetmeye çalışıyoruz.
cam nedir?
Camı anlamanın en iyi yolu nasıl yapıldığını anlamaktır.
Cam yapmanın ilk adımı, bir mineral karışımının – genellikle soda külü, kireç taşı ve kuvars kumu – yaklaşık 2.700 Fahrenheit (1.480 Santigrat) sıcaklıkta bir sıvıya dönüşene kadar ısıtılmasını gerektirir. Bu durumda mineraller sıvı içinde serbestçe akmakta ve düzensiz bir şekilde hareket etmektedir. Bu sıvı yeterince hızlı soğursa, çoğu katı gibi organize, kristal bir yapıya katılaşmak yerine, karışım düzensiz yapıyı korurken katılaşır. Camı tanımlayan atomik olarak düzensiz yapıdır.
Kısa zaman ölçeklerinde, cam bir katı gibi davranır. Ancak camın sıvı benzeri yapısı, yeterince uzun bir süre boyunca camın gevşeme adı verilen bir süreçten geçmesi anlamına gelir. Gevşeme, bir cam parçasındaki atomların yavaş yavaş kendilerini daha kararlı bir yapıya dönüştürecekleri sürekli ama son derece yavaş bir süreçtir. 1 milyar yıl boyunca, tipik bir cam parçası, insan saçı çapının yaklaşık 1/70.000’i olan 1 nanometreden daha az şekil değiştirecek. Yavaş değişim hızı nedeniyle, yavaş akan camı yüzyıllarca çeken yerçekimi nedeniyle eski pencerelerin alt kısımda daha kalın olduğu efsanesi doğru değildir.
Halk arasında cam kelimesi genellikle erimiş kum, soda ve kireçten yapılmış sert, kırılgan, şeffaf bir maddeyi ifade eder. Yine de şeffaf olmayan pek çok cam türü vardır ve sıvı karışım kristalleşmeyi önleyecek kadar hızlı soğutulabildiği sürece herhangi bir element kombinasyonundan cam yapılabilir.
Taş Devri’nden günümüze
İnsanlar 4.000 yıldan fazla bir süredir cam kullanıyorlar ve en eski kullanımlardan bazıları dekoratif cam boncuklar ve ok uçları için. Arkeologlar ayrıca 2.000 yıllık cam atölyelerinin kanıtlarını da keşfettiler. Bu tür eski bir atölye, modern İsrail’de Hayfa yakınlarında ortaya çıkarıldı ve MS 350 yıllarına kadar uzanıyor.
Modern cam üretimi, 20. yüzyılın başlarında cam şişeler ve düz cam levhalar için seri üretim tekniklerinin geliştirilmesiyle başlamıştır. Cam, 20. yüzyılın ikinci yarısında elektronik ve telekomünikasyon endüstrisinin önemli bir parçası haline geldi ve şimdi internetin bel kemiğini oluşturuyor.
Yarının cam sağlayan teknolojileri
Bugün bilim adamları camı bir bardak veya ayna malzemesi olarak kullanmanın çok ötesinde. Camla ilgili araştırmaların en ileri noktasında, belirli özelliklere ulaşmak için camın karmaşık atomik yapısını ve gevşeme sürecini manipüle etme yeteneği vardır.
Cam atomik olarak düzensiz olduğundan ve her zaman değiştiğinden, bir cam parçası üzerindeki herhangi iki noktanın, dayanıklılık, renk, iletkenlik veya başka bir şey gibi biraz farklı özelliklere sahip olması muhtemeldir. Bu farklılıklar nedeniyle, aynı malzemeler kullanılarak aynı şekilde yapılmış iki benzer cam parçası çok farklı davranabilir.
Bir cam parçasının nasıl davranacağını daha iyi tahmin etmek için ekibimiz, camın kaotik ve sürekli değişen atomik yapısının nasıl ölçüleceğini ve manipüle edileceğini araştırıyor. Bu alandaki son gelişmelerin mevcut teknolojilere doğrudan faydaları olmuştur.
Örneğin, telefon ekranları 2014’te olduğu kadar kolay çatlamıyor çünkü kısmen yeni işleme teknikleri atomik bağ güçlerindeki farklılıkları azaltarak çatlakların yayılmasını zorlaştırıyor. Benzer şekilde, internet hızları son 20 yılda büyük ölçüde arttı çünkü araştırmacılar, optik fiberler için kullanılan camın yoğunluğunu daha düzgün ve dolayısıyla veri iletmede daha verimli hale getirmenin yollarını buldular.
Camın değişen, kaotik yapısının nasıl manipüle edileceğine dair daha derin bir anlayış, önümüzdeki yıllarda teknolojide büyük ilerlemelere yol açabilir. Araştırmacılar şu anda daha yüksek şarj hızları ve gelişmiş güvenilirlik sağlayabilen cam piller, mevcut türbinlerden daha az bakım gerektiren fiberglas rüzgar türbinleri ve geliştirilmiş bellek depolama cihazları dahil olmak üzere bir dizi proje üzerinde çalışıyorlar.
John Mauro, Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Profesörü, Penn State ve Katelyn Kirchner, Penn State, Malzeme Bilimi alanında Doktora Adayı.
Bu makale The Conversation’dan Creative Commons lisansı altında yeniden yayınlanmıştır. Orijinal makaleyi okuyun.