Araştırmanın Sonuçlanmasıyla Maddenin Yeni Hâli Keşfedildi: Sıvı Cam
Cam, günlük olarak kullanılan bir malzemedir. Fakat muhtevasında büyük bir bilimsel muamma yatar. Bilinenin aksine, camın gerçek doğası, kimyasal ve fiziksel özelliklerine ilişkin bilimsel araştırmalar halen devam etmektedir. Sıvı cam bu araştırmaların bir neticesidir. Kimya ve fizikte, cam terimi değişken bir kavramdır: Pencere camı olarak bildiğimiz maddeyi içerir. Fakat aynı zamanda cam başka maddelerin özelliklerine atıfta da bulunabilir: Mesela metaller, plastikler, proteinler ve hatta biyolojik hücreler.
Görünüşü öyle olsa da, cam geleneksel olarak katı madde olmaktan başka her şeydir. Tipik olarak, bir malzeme bir sıvıdan katı bir duruma geçtiğinde, moleküler bir kristal model oluşturmak için sıraya girer. Camda bu olmaz. Bunun yerine, moleküller kristalleşme gerçekleşmeden önce etkili bir şekilde yerinde dondurulur. Bu garip ve düzensiz durum, farklı sistemlerdeki camların karakteristiğidir. Bilim insanları hala bu yarı kararlı durumun tam olarak nasıl oluştuğunu anlamaya çalışıyorlar.
Maddenin Yeni Hâli: Sıvı Cam
Konstanz Üniversitesi’ndeki Prof. Andreas Zumbusch (Kimya Bölümü) ve Prof. Matthias Fuchs (Fizik Bölümü) tarafından yönetilen araştırma, cam muammasına bir başka karmaşıklık katmanı ekledi. Araştırmacılar, özel olarak üretilmiş elipsoidal kolloidlerin süspansiyonlarını içeren bir model sistemi kullanarak, tek tek parçacıkların hareket edebildiği ancak dönemediği yeni bir madde durumu olan sıvı camı keşfettiler. Bu davranış daha önce dökme camlarda gözlenmeyen karmaşık bir davranış. Sonuçlar Proceedings of the National Academy of Sciences’da yayınlandı .
Kolloidal süspansiyonlar, bir mikrometre (bir metrenin milyonda biri) veya daha büyük boyutlarda atomlardan veya moleküllerden daha büyük olan karışımlardır. Bu nedenle optik mikroskopi ile araştırmaya çok uygun katı partiküller içeren karışımlar veya sıvılardır. Cam geçişlerini inceleyen bilim adamları arasında popülerdir çünkü diğer cam oluşturan materyallerde de meydana gelen birçok fenomeni içerirler.
Özel Yapım Elipsoidal Kolloidler
Bugüne kadar, kolloidal süspansiyonları içeren çoğu deney, küresel kolloidlere dayanıyordu. Bununla birlikte, doğal ve teknik sistemlerin çoğu küresel olmayan parçacıklardan oluşur. Andreas Zumbusch liderliğindeki ekip, polimer kimyasını kullanarak küçük plastik parçacıklar üretti. Ardından elipsoid (elips şekline sahip) formlarına ulaşana kadar onları esnetip soğutup ardından uygun bir çözücü içine yerleştirdi. Fiziksel kimya profesörü ve çalışmanın kıdemli araştırmacısı olan Zumbusch, “Küresel parçacıkların aksine, farklı şekillerinden ötürü parçacıklarımızın oryantasyonu var. Bu da tamamen yeni ve daha önce çalışılmamış karmaşık davranış türlerine yol açıyor” diyor.
Araştırmacılar daha sonra süspansiyonlardaki partikül konsantrasyonlarını değiştirmeye devam ettiler. Sonra da konfokal mikroskopi kullanarak partiküllerin hem translasyonel hem de rotasyonel hareketini izlediler. Zumbusch, “Belirli parçacık yoğunluklarında yönelimsel hareket donarken öteleme hareketi devam etti. Bu da parçacıkların benzer yönelimle yerel yapılar oluşturmak için kümelendiği camsı durumlara neden oldu” diyor. Araştırmacıların sıvı cam olarak adlandırdıkları şey, bu kümelerin karşılıklı olarak birbirlerini engellemelerinin ve karakteristik uzun menzilli uzamsal korelasyonlara aracılık etmelerinin bir sonucudur. Bunlar, termodinamikten beklenen küresel olarak düzenli madde durumu olabilecek sıvı kristal oluşumunu engeller.
İki Rakip Cam Geçişi
Araştırmacıların gözlemlediği şey aslında birbiriyle etkileşime giren iki rakip cam geçişiydi. Bunlar düzenli bir faz dönüşümü ve bir dengesiz faz dönüşümüdür. Konstanz Üniversitesi’nde yumuşak yoğun madde teorisi profesörü ve makalenin diğer kıdemli yazarı Matthias Fuchs, “Bu teorik açıdan inanılmaz derecede ilginç” diyor. “Deneylerimiz, bilim camiasının epeydir peşinde olduğu kritik dalgalanmalar ve camsı tutuklama arasındaki etkileşim için bir tür kanıt sağlıyor.” diye devam etmekte. Sıvı cam tahmini, yirmi yıl teorik bir varsayım olarak kaldı.
Sonuçlar ayrıca benzer dinamiklerin diğer cam şekillendirme sistemlerinde de iş başında olabileceğini ve bu nedenle çok küçükten (biyolojik) çok büyüğe (kozmolojik) kadar değişen karmaşık sistemlerin ve moleküllerin davranışına ışık tutmaya yardımcı olabileceğini göstermektedir. Ayrıca sıvı kristal cihazların gelişimini potansiyel olarak etkiler.
