p
Billur Gibi Duru, Tel Kadar İnce Olabilen Sihirli Madde:
CAM
John EMSLEY
ört bin beş yüz yıl önce Mısır’ın Eski Kral-lık devrinde bulunuşundan, on dokuzuncu yüzyılın sonlarına gelinceye kadar cam, güzelliği ve kullanılışlığı açısından sanatçıların ve inşaatçıların ihtiyaçlarını fazlasıyla karşılamıştır. Yirminci yüzyılda ise camın kimyasal yapısı konusundaki araştırmalar yeni tür camların yapımını sağlamış, yeni endüstriler doğurmuştur. Örneğin dayanıklı camı, cam ipliği, cam seramiği ve optik telleri sayalım: Bunlardan sadece optik teller, önümüzdeki on yıl içinde yaşayışımızı değiştirmeye yeter de artar bile!
Aslında cam, şaşılacak derecede basit bir maddedir: Silisyum dioksit ile maden oksitlerinin bir karışımı! Cama sihirli özelliklerini veren, onun atomik yapısıdır. Cam- ne tam bir sıvı, ne de kristal yapılı gerçek bir katıdır, ikisinin arasında ye>- alır. Başka deyimle, katılaşma derecesinin altında dondurulmuş bir sıvıdır, ilk bakışta camın yapısı hayli sağlam gözükür, an-
Camdan yapılmış eşya; öteden beri günlük yaşayışımızı hem daha zevkli, hem daha rahat kılmaktadır. Öyle görünüyor ki; cam şimdi de iletişim açlığı çeken dünyamızda haberleri hızla ulaştıracak bir şebekenin can alıcı parçası olacaktır. Şu var ki, bulunuşundan günümüze kadar geçen sürede camın kimyasal yapısı sadece ayrıntılarda değişmiştir. Cam, yine de “donmuş sıvı” biçiminde bir inorganik madde olarak kalacaktır.
cak röntgen ışınlarıyla içyapısını incelersek, diğer katilardaki atomların düzgün kristal dizilişine camda rastlayamayız. Cam atomlarının dizilişi, daha çok bir sıvıdaki rsstgele dizilişi andırır. Yalnız, camın kıvamı çok ‘‘ağdalı”dır; öyle ki, yerçekiminin etkisi altında bile biçimini hemen hiç değiştirmez. Bu bakımdan aldatacak derecede bir katiya benzer.
Kimygcılar, kristal yapılı bir katı ile oam arasındaki farkı şöyle açıklarlar: Katidaki atom ların bir genel diziliş düzeni vardır; camın Iso yoktur. Genel diziliş düzeni demek; kristalduki atomların diziliş biçiminin belirli aralı kimi» tekrarlanmasıdır. Böyle kristallerden geçmt
Camın yapısı, Venedik cam mamulleri He optik teller arasında geçen dört yüz yıl İçinde pek az değişmiştir.
Kov Art gibi kristal yapılı bir etamin karakteristik düzeni (Solda). Eritildikten sonra yapıda meydana gelen düzensizlikler, madde y«miden sertleşince olduğu gibi “dondurulmuş” kalır (Sağda).
1 T f T” “t
ı„ „L 1 1 ‘i
T T V T* Kristal
X
x x x Y “i LJL i, i ; t v y y
•. non f»ir»ini
röntgen ışınları, »İstençtik biçimde yansıtılır ve kristal yapısını açığa vururlar. Cam ya da bir sıvıdan geçen röntgen ışınları İse atomların düzensiz dizilişini gösterecek biçimde, her yöne doğru yansıtılırlar. Şekil l’de kristal ile cam yapısı arasındaki fark, iki boyutlu olarak gösterilmiştir.
Katılaşmak için, bir sıvının serbestçe hareket eden atom ya da moleküllerden yapılmış olması gerekir; öyle ki, bunlar bir kristal “kafes” biçiminde dizilebllsinler. Camda ise bütün atomlar birbirine çekici güçlerle bağlanmışlardır. Bunun sonucunda hareket serbestliğini kaybederler ve oda sıcaklığında, simetrik kristal dizilişine geçmeleri ölçülemeyecek kadar yavaş olur. Eski Mısır Krallığı çağından kalma cam parçaları, o zamervdan beri 4000 yıl geçmesine rağmen, henüz kristalieşmemişlerdir. Şu var ki, cam eğer birkaç ay süreyle 600 C dereceye kadar, yani hemen hemen yumuşama de-reoesine değin ısıtılırsa “cam”lık özelliğini kaybeder ve bul&mk bir görünüm alarak kristalleşir. Eğer ısıt’ılırken cama gümüş, titan veya fosfor gibi bazı maddeler katılırsa, bu süre birkaç saate kadar indirilebilir. Böyle maddeler, çevresinde cam kristallerinin tutunup büyüyebileceği bir “çekirdek” vazifesini görürler.
•Cam; çoğunlukla kum, kireçtaşı ve sodadan (kimyasal adıyla sodyum karbonattan) yapılır. Kum; hemen hemen saf kuvars., yani SI Oj’dlr. Bu maddede her silisyum atomu, ko-valerrt olarak dört oksijen atomuna çok dü-
zenli bir kristal biçiminde bağlanmıştır (Şekil 2). Kuvars, + 1710 derecede erir ve bir kere eridi mi, bu düzenli biçimi kaybolur. Eski kavim ler herhalde bu dereceye erişememişlerdi, ancak odunıkömürü yaktıkları fırınlarda, 1000 C dereceyi bulabiliyorlardı. İşte bu fırınlarda kumun, diğer minerallerle karıştırıldığı zaman eritilip, bir çeşit oam yapılabileceğini öğrenmiş olmalılar!
Cama katılan diğer mineraller (tuzlar); kalsiyum karbonat (Ca C03) olan kireçtaşı ve sodyum karbonat (Na^ C03) olan sodadır. Mısır, sodyum karbonata doğal halde kotlanabilen ender yerlerden biridir.
Sadece kumla sodyum karbonatı birlikte ısıtırsak, suda eriyebilen sodyum silıikat elde ederiz. Eski adı su-oamı olan sodyum silikatın formülü ^ Si 03 tür.
Camda kalsiyum’un bulunması; onu hem erimez, hem de daha sert bir hale getirir. Eskiçağ sanatkârları cam için çok iyi bir karışım bulmuşlardır; bundan dolayı, andığımız sodyum-kalsiyumlu camları yapmak İçin kullanılan maddelerin oranı, 4000 yıldan beri fazla değişmemiştir. Tipik bir camda (ağırlıkları oranına göre) ‘% 70 Si 02, % 15 sodyum oksit (Na20), % 10 kalsiyum oksit (Ca 0) ve % S de diğer oksitler bulunur. Aslında sodyum ve kalsiyum, cama karbonatlar biçiminde katılır ve işlem sırasında karbon dioksidi (C02) kaybederek, sodyum oksit ile kalsiyum oksit haline gelirler. Böyle bir cam 650 C derece civarında yumuşar
Kuvarsın üç boyutlu yapısı (yanda). Sodyum oksidin, bağlantıları nasıl koparıp kuvars camının yapısını zayıflattığı (aşağıda) görülüyor.
Takviyeli oto ön camlan bile, bir noktaya gelince çatlayıp parçalanabilirler.
ve bu sayede işlenmesi ile üflenmesi kolaylaşır.
Camda maden oksitlerinin bulunması gereklidir; çünkü* bunlar camdaki kimyasal bağlantıları değiştirirler. Bu da camın erime ve “ağdalanma’’ derecesini düşürür. Her atomun komşu atomlara kovalent olarak bağlandığı üç boyutlu bir yapı çok güçlüdür; nitekim böyle yapılı olan kuvars, milyonlarca yıl iklimin aşındırmasına dayanabilir. Ancak bu bağların bazısı koparılacak olursa, yapı zayıflar. Şekil 2, sodyum ok-
sidin bıııııı ıııınıl yaptığını göstoımoktiMİlı dukl Rodyum İyonu çifti (Na+ ) voyıı lım bs sİ yum lyoıııı (CaJ+ ) için bir adot Sl-0!;ı lont bağının kopması gerekmektodlr. So erime noktası düşürülmüş olur. Soda caı bu nokta, saf kuvarsınkinden 1.000 derece aşağıdır.
Kural olarak, cam iki bileşkenden olu< tur. Bunlardan birincisi, madensel olmaya oksittir; buna cam oluşturucu ya da biçim rici madde diyoruz. İkincisi ise özellik doğlı maddedir. Silisyum, cam oluşturan tek el değildir; bu iş için bor, alüminyum vo fı dan da yararlanılabilir. Özellik değiştiriclleı nell’ikle sodyum, potasyum, kalsiyum vo nezyumdur; fakat bazı başka özellikler V dırmak için, öteki metallerden de yararlanı tadır. Örneğin kurşun camı, parlaklığı ilo ■ mıştır^ bu özelliği, kırılma indisinin yüksel’ den ileri, gelmektedir. Anılan camın pate 1674 yılında George Ravenscroft almıştır venscroft, Londra Cam Satıcıları Şirketi ta dan. İngiliz cam sanayiini kurmak ve elv yeni ürünler konusunda araştırmalar yapı görevlendirilmişti. O sıralarda Venedik, A’ cam pazarını elinde tutuyordu. Ravenscrof kuvars çeşidi olan flint’i ortaya çıkardı ve saydamlığını artırmak için kurşun oksit Bu yeni cam çeşidi, istenen boyutta kesl daha da güzel biçim verilebildiğinden çat tutundu ve özellikle süs eşyası ile sofra tı yapımında büyük ölçüde kullanıldı.
Cam, aslında bir sıvı olduğundan, aoy dır. Bir sıvıda iç sınırlar bulunmodığıı camın içinden geçmekte olan bir ışık ışını rılma ve yansımaya uğramaz. Işın, tını camın yüzeyini aşarken hafifçe kırılır. Oku den yapılan camlar, elektromanyetik tayfın rünür ışığa ait bölümünü geçiricidir, çol vaçta olmaları bundan ileri gelir. Erimiş < bazı katkı metalleri az miktarda eklenerek mın ışık emme (soğurma) ya da ışık geç özellikleri şaşırtıcı biçimde değiştirilebilir, balt eklenirse, mavi cam elde ederiz. Mı nez ile mor; krom ile yeşil; bakır İle mav yeşil renk sağlarız. Camdan yapılmış on eşya da renkliydi. Bununla birlikte, cama verme sanatı, ancak ortaçağda doruğuna miştir.
Cam, normal olarak sarımsı yeşil renkt çünkü kumda iz miktarda demir bulunur. I) kumda Fe2+ iyonlarını oluşturur. Bu yü cama manganez dioksit (Mn 02) katılarak n
nin nirloı-Ümooi «acoliı. ^1′
Yerden havaya atılan bir füzenin “göz”üne yerleştirilen bu özel cam, ısı kaynaklarına karşı duyarlıdır.
Hafif; fakat güçlü bir madde olan cam lifi, önemli bir yapı malzemesidir (yanda). Lens camının kırılma indisini ölçme hazırlığı (aşağıda).
Fe2* ‘y* okside ederek, çok daha solgun renkli F©Fe3+ ‘e çevirir. Daha sonra, çok az miktarda selen’in de camın rengini giderdiği anlaşılmıştır; hatta bir ton cam başına 30 gram selen bu işi görmeye yeterlidir. Daha yüksek oranlarda katıldığı takdirde selen, camı kırmızıya boyar.
Birçoğumuzun acı _ tecrübelerle öğrendiği gibi, pencerelerde kullanılan soda-kineç camı kolayca kırılıp parçalanabilir ve etrafa dağılan keskin kenarlı cam kırıkları tehlike yaratabilir. Ayrıca, basınç ya da sıcaklıkta meydana gelen on) değişiklikler camı çatlatabilir. Bu sakıncaların giderilmesi için, cam konusunda birçok araştırmalar yapılmıştır. Araştırıcılar, cam oluşturucu maddeye bor kattıkları zaman ilk önemli adım atılmış oldu. Bunun sonucunda ‘‘pyrex” camı doğdu. Bor yerine alüminyum katılırsa, camın erime derecesi yükseltilmiş ve kimyasal aşındırmaya karşı direnci artırılmış olur. Bu husus, özellikle aşındırma yüzeyinin geniş olduğu cam iplikçiklerden yapılmış optik tellerde önem taşır. Cam teller, doğada SiclIvn’HpH Ft.
na gibi volkanların akıttığı erimiş lavların üzerinde esen rüzgârların etkisiyle, iplikçikler şeklinde havaya savrulmaktadır. Eskiçağda yaşayanlar, bu iplikçiklere “Tanrıça saçı” adını vermek-
Cam; çok dayanıklı, hatta bazen çelikten de güçlü olabilir. 1946’da Detroit Tiger takımından Hank Greenberg, “Her-külit”ten yapılı bu kapıları, beyzbol sopasıyla kırmayı başaramadı.
Optik teller, istenen optik özellikleri sağlamak için titan ve germanyum ile işlem görmüş hemen hemen saf silisyum oksit (Si02)’ten yapılmıştır. İki katlı plastik kılıf, bu cam teli olağanüstü dayanıklı kılar.
teydiler. Günümüzde ise camdan yapılan optik teller, uzun mesafeler arasında haber iletişimi için kullanılmaya başlanmışlardır ve yakında madeni tellerden daha ucuza mal olacaklardır. (Bkz. Söz ışık oluyor. Bilim ve Teknik Temmuz 1979). Optik tellerde İletim aracı olarak, madenden geçen elektrik akımı yerine, camdan geçen ışık ışınlarından yararlanılır. Yansıma açısını, ışığın camdan kaçacağı kritik sınırın altında tutmak şartıyla, bu tellerde ışığa köşeler bile döndürülebilir.
Başka bir şaşırtıcı buluş, cam seramiklerdir. Corning Glass kuruluşunda çalışmakta olan
S.D. Sldokey, bir gün, üzerinde uğruytı örneğini yanlışlıkla gece fırında uıuıllı man, örneğin saydamlığını kaybettiğini rünüşte hiçbir İşe yaramaz hale goldlğlı lemlemişti. Ne var ki, cam örneği aynı da büyük dayanıklılık kazanmış vo üstü kiçle vurularak ya da anide ısıtılıp soğu parçalanması hemen hemen imkânsız d derecede zorlaşmıştı! Günümüzde cam sı ler, sobe, fırın, boru ve elektrik yalıtıcı kullanılmaktadır. Hatta, akla gelmeyen yn örneğin roketlerin huni biçimindeki uç k rında ve uzay dolmuşunun sıcaklıktan ko tuğlalarında cam seramiğinden yararlanıl dır. Cam seramiğinin bulunuşundan önci ma ve ısı şoklarına en dayanıklı cam 1930’da Martin Nordberg ile Harrison Wc Corring Glass kuruluşundaki araştırmaları cunda geliştirmiş oldukları “Vycor” du kuvarsın daha ucuz bir alternatifi idi vo Si 0,, % 3 bor oksit (B, 0,) ve ‘A- 1 de oksitlerden oluşuyordu. Vycor, özellikle yüksek sıcaklığa dayanıklı konteynerlerln mında kullanılmıştır.
Cam araştırmalarında sürprizlerin ardı ı kesilmiyor. Örneğin Standart Telecommunicı laboratuvarlarında araştırmalar yapan Dreke, içinde hiç silisyum dioksit olmaya cam çeşidi geliştirmiştir. Bu camda, oluşt olarak fosfor oksit, özellik değiştirici ( sodyum ve kalsiyum kullanılmıştır. Bu cam gayet yavaş olarak erimektedir ve bu özol den yararlanılarak, ilaç ve gübre gibi bnzı delerin, anılan camdan yapılmış küreclklerı nup, camın giderek erimesi sonucunda kon biçimde azar azar dış ortama verilmesi m> mıştır.
Ne yazık ki, cam endüstrisinin goloııı maddeleri olan cam şişe ve kavanozların y hızla daha güvenli ve daha hafif başkn ılrı almaktadır. Böyle giderse, gelecekte cnmıı nayideki değeri artmaya devam edecek; 1 onu günlük yaşayışımızda daha seyrek ol görebileceğiz!
New Scientist’ten kısaltarak ı Dr. Ergin KO
Söylediklerinizi dinletmek için kimseyi kolundan tutmayın; zira insanlar sizi dinlemek istemiyorlarsa, onları tutacak yerde, çenenizi tutsanız daha iyi edersiniz. CHESTERFIFLD