Camsı Malzemelerde Akışı Ne Durdurur?
Fotoğraf: Farklı açı oranlarına sahip kolloidal elipsoidlerin, dönme ve öteleme hareketlerinde yavaş dinamik (kırmızı elips) ve düşük yapısal entropi (açık mavi) bölgeleri arasındaki bağıntılar. (Ölçek çubuğu: 20 μm.)
Camların sıvılara benzer düzensiz bir yapısı bulunmaktadır. Ancak katılara benzer mekanik özellikleri de bulunmaktadır. Bu da “Camlar neden sıvı gibi akmıyorlar?” sorusunu beraberinde getirmektedir. Bu soru çok önemli olmakla birlikte 2005 yılında Science dergisi tarafından 125 kilit nokta, cevaplanmamış bilimsel soru ve 11 çözülmemiş önemli fiziksel sorundan biri olarak seçilmiştir.
Atomların hareketleri yaklaşık 0.1 nanometre uzunluk ölçeğinde ve yaklaşık 1 nanosaniye zaman ölçeğinde neredeyse hiç gözlemlenmemektedir. Neyse ki bilim insanları, kolloidal (heterojen) sistemlerin atomik sistemler ile benzer faz davranışlarına sahip olduğunu keşfettiler. Kolloidler, atomik malzemelerden kolayca elde edilemeyen faz geçişleri hakkında mikroskobik bilgileri ortaya çıkaran büyük “atomlar” olarak kabul edilmektedirler.
Son on yıldır, kolloidal camlar çok ilgi görmektedir ve bunun sonucu olarak çok sayıda önemli keşifler yapılmıştır. Bununla birlikte, bu çalışmaların çoğu bölgesel veya orta menzilli kristal yapıları oluşturma eğiliminde olan küresel parçacıklarla ilgilidir. Ne yazık ki, bu tür çalışmalar geniş ölçüde uygulanabilir değildir çünkü çoğu cam kürelerden oluşmamaktadır ve kristal yapıya da sahip değildir.
Bu sorunu gidermek için Çin Bilimler Akademisi Mekanik Enstitüsü ve Hong Kong Bilim ve Teknoloji Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, son günlerde ilk kez küresel olmayan parçacıklardan oluşan camsı sistemler üzerinde deneysel çalışmalar yaptılar.
Araştırmacılar, tek dağılımlı elipsoidlerin tek katmanlarının iyi cam oluşturucular olduğunu ve bölgesel kristal yapılar oluşturmadığını keşfettiler. Böylece, cam geçişine yaklaşıldığında yavaşlama dinamiklerinin yapısal kökenini tespit etmek için ideal ve genel bir sistem sağlanmış olacak.
Aslında, cam oluşturucuların güçlü dinamik heterojenlikleri vardır, yani bazı bölgeler hızlı hareket ederken bazı bölgeler yavaş hareket etmektedir. Bu sonuçlar, düşük yapısal entropiye sahip yapıların yavaş dinamiklere karşılık geldiğini, ancak hızlı gevşeyen (akan) bölgelerin yüksek yapısal entropiye sahip olduğunu göstermektedir.
Küresel parçacıklardan oluşan camlarda, bazı çok yüzeyli yapılar genellikle yavaş dinamiklerden sorumlu olarak kabul edilmektedir. Bununla birlikte, bir tür çok yüzeyli yapılar yalnızca belirli küre sistemlerinde mevcutturlar. Yapısal entropi, çeşitli spesifik yerel yapılar da dahil olmak üzere bir yapıdaki düzensizlik düzeyini ölçmektedir. Örneğin kürelerden oluşan sistemlerde bulunan çok yüzeyli virüsler. Dolayısıyla düşük yapısal entropi, kürelerde ve kürelerden oluşan sistemlerde tutan camsı maddede yavaş dinamiklerin genel bir yapısal özelliğidir.
Ayrıca araştırmacılar, hem statik yapılarda hem de yavaş dinamiklerde ideal bir cam geçiş noktasında Ising benzeri kritik davranışları gözlemlediler. Bu tür davranışlar, camlarda düzenli yapılar olmadığından, cam geçişinin tamamen dinamik mi yoksa termodinamik (yapısal) mi olduğunu açıklayan termodinamik geçişin nicel bir özelliğidir.
Çalışmanın ilgili yazarı Wang Yuren, “Elipsoid camlarda kritik davranışların gözlemlenmesi, cam geçişinin termodinamik doğasına ilişkin çok daha sağlam nicel kanıtlar sağlamaktadır. Sonuçlar, hem cam teorisinin gizemlerine hem de yüksek stabiliteye ve cam oluşturma kabiliyetine sahip malzemeler tasarlamaya yeni bir ışık tutmaktadır.” dedi.
Kaynak: phys.org
