Meraklısına Not:
Çok teknik ve kimya ile ilgili tarifler yapılan bölümleri yazıdan çıkarıp ikiye böldüm. Konuyu teknik olarak, bilimsel çalışmaları takip etmek isteyenler için ikinci bölümü ayrı olarak gönderiyorum.
Türkiye'de ilk bilimsel cam araştırmaları
1977'lerde Şişecam'ın araştırma laboratuvarında başladı. Bu çalışmalar giderek çok ileri boyutlara ulaştı ve Şişecam, teknoloji ihraç eder oldu. Beykoz Paşabahçe'nin müdürü Gürol Demirkol, cam üretimi konusunda bazı üretim makinelerinin dünyada yalnızca kendilerinde olduğunu belirterek, "Bazı yeni getirtilen ileri teknoloji ürünü makinelerde bile yüzde 40'lara varan değişiklikler yapabiliyoruz" diyor.
Camla ilgili ilk bilimsel ve temel araştırmalar
Camın bu uzun geçmişine karşın, bu konudaki ilk bilimsel ve temel çalışmaların, ancak 1830'larda Michael Faraday'la başladığı biliniyor. Faraday, camın "kimyasal bir bileşikten çok, bir karışım" olduğunu ilk kez nitelemiş ve kırmızı cama bu rengi veren özelliğin "küçük metalik altın parçalardan" kaynaklandığını bulmuştu. Daha sonra 1879'da, Alman Otto Schott, Jena Üniversitesi'nden Prof. Ernst Abbe ile bir araya gelerek "optik" camlar konusunda öncü çalışmaları başlattı...
1913'da Schultz, geçerliliğini günümüzde de büyük çapta sürdüren, camdaki iyon değişimiyle ilgili araştırmasını yayınladı. 1921'e gelindiğinde, A.A. Griffıth, camın mekanik dayanımıyla ilgili çalışmalara öncülük etti. Cam elyaflar üzerinde çalışan Griffıth, "Camın bir malzeme olarak çok yüksek bir mekanik dayanıma sahip olduğunu, fakat yüzeyindeki mikro çatlaklar nedeniyle, bu direncin binlerce kez azalarak günlük kullanımdaki cama kırılganlık verdiğini" ilk kez farketti,
1930'lu yıllarda Prof. Tammann, camda viskozite (akışkanlık ve işlenebilirlik), kristallenme, cam dönüşümü ve cam oluşum nedenleri gibi konularda çalışmalar yapıyordu, Yine aynı dönemde Zachariasen'in ortaya attığı ve Warren'in deneysel bulgularla desteklediği "camlaşma teorisi", cambilimi tarihindeki en önemli olaylardan birisi sayıldı. Zachariasen, cam yapısı için "düzensiz ağ teorisi" adını verdiği bir model geliştirmiş, Warren de X ışını deneyleriyle bu modeli doğrular sonuçlar almıştı.
1950'ler metalurjinin, 1960'lar ise cambilimin altın çağıydı. Bu yıllara kadar camsı yapılı malzemeler denince, akla hemen klasik camlar ile organik camlar geliyordu. Giderek inorganik camların çok geniş bir "camsı malzemeler" topluluğunun alt kümesi olduğu anlaşılmaya başlanmıştı. Cam, artık yalnızca, "bir eriyiğin kristallenmesine izin verilmeden hızlı soğutulması" yoluyla yapılmıyordu. Buhar halden kaplamayla "optik elyaf”, eritmeye gerek olmadan üretilen "sol-jel" camları ve elektrokimyasal kaplama yöntemleriyle de yapılabiliyordu.
Türkiye'de bu özel camlar üzerine incelemeler yapan araştırmacı Hande Sengel, sözkonusu camların yapısını şöyle açıklıyor: "Sol-jel camları öncelikle, amorf ya da düzensiz yapıdaki camın, çeşitli kimyasal tepkimeler sonunda düşük sıcaklıklarda elde edilmesi ilkesine dayanıyor. Bu yöntemle elde edilen camlar, yüksek saflık gösterdiklerinden daha çok optik cam ve optik elyaf üretiminde tercih ediliyorlar. Ayrıca, karışım moleküler düzeyde olduğundan, üretilen camlar bütünüyle homojen bir yapıya sahip... Çünkü, çeşitli kimyasal karışımlar sıvı halde harmanlanıyor; bu sıvı kuruyup katı hale geçince camlaşıyor. Bu camların en önemli uygulama özellikleri, yüksek sıcaklığa dayanıklı olmayan plastik gibi malzemelerin camla kaplanarak kimyasal dayanıklılığının artırılmasıdır... Üzerindeki araştırmaların yoğun olarak sürdüğü sol-jel camlardaki en önemli uygulama, "Shott" firmasının ürettiği indiyum-titanyum oksit (İTO) kaplamalar olduğu kabul ediliyor. Bunlar daha çok, otomobil ayna camlarının yüzeyleri, güneş enerjisini yansıtıcı camların üretimi, laser koruyucu filtreler için silika-fosfat camlar üretimi, kontaks lens üretimi ve tarihi camların sol-jelle kaplanarak daha uzun yüzyıllar korunması gibi çok değişik alanları içermekte..."
Cam denilince bütünüyle camın yüzeyi anlaşılıyor... Çünkü cama özelliğini kazandıran bütün olaylar camın yüzeyinde geçiyor. İster sıvı sıcak, isterse katı soğuk halde bulunsun, camın yüzey özelliği değişmiyor. Çünkü ışığı kırma, yansıtma, akışkanlık, kimyasal ve fiziksel (mekanik) dayanım ve ıslanma hep camın yüzeyinde geçiyor. Cam, sıvı sıcak halde iken bir damla biçiminde alınıyor. Bu damlanın oluşumu bile camın yüzey gerilimiyle ilgili... Günlük yaşamda çok sık karşılaşılan, oto ve gözlük camlarının buğulanması, pencerelerin toz tutması, yıkanan bardaklarda görülen ve hanımların doğru olarak "suyun kireci" dediği izler gibi olaylar dizisi de camın yüzeyindeki "ıslanma" olgusuyla ilintili....
Geleceğin maddesi olarak yorumlanan cam, ihtiyaçların ve teknolojinin gelişmesiyle artan biçimde, kendine yeni kullanım alanları yaratıyor. Cam seramikler de bunlardan biri... Lütfı Öveçoğlu, cam seramiği "Kristalleşmesine izin verilmeyen ergimiş camın içine çok küçük miktarda 'oksit' maddeler atılarak, camın mikro yapısının, ama bu kez kristalleştirilerek değiştirilmesi sonunda elde edilen yeni madde" olarak tanımlıyor. Bu konuda dünyadaki en iddialı kuruluş, USA Corning Glass fırması. Cam seramik, LiO2, alümina ve SiO2 üçlü sistemi içine iki tane oksit katkısı koyularak üretiliyor. Bu ürünler hem yüksek hem de düşük ısılara dayanıklı malzemeler olarak yoğun biçimde mutfak eşyalarında kullanılıyor. Bu eşyalar fırından çıkartılıp buzdolabına yerleştirildiği halde çatlamıyorlar.
Sözkonusu madde, genel kullanım alanlarının yanısıra çok özel alanlarda da kullanılıyor. Örneğin, yüksek teknoloji içeren füze başlıkları artık cam seramikten yapılıyor. Bir uzay mekiğinin dış panellerinde kullanılan malzemeler cam seramik... Diğer bir yüksek teknoloji ürünü olan ve önümüzdeki yüz yılda her türden iletişim alanında devrim yapacağı düşünülen, fıberoptik (optik elyaf) kablolar da aynı biçimde cam veya cam seramikten üretiliyor...
Optik elyaf, ışığın camdaki yansıma özelliklerinin bir çeşit uygulaması sayılıyor. Camın içinden cam yüzeyine gelen ışık ışını, eğer geliş açısı kritik açıdan küçükse, kırılarak büyük ölçüde uzaya yöneliyor. Kritik açıdan daha büyük bir açıyla cam yüzeyine gelen ışınlar camdan çıkamıyor ve içte tam yansımaya uğrayarak yüzeyden geri dönüyor. Bir optik lif, aslında 100-400 mikron kalınlığında, çok ince bir cam çubuk... Bu çubuğun bir ucundan gönderilen ışık ışını, içte devamlı tam yansımalar yapıp, bazı kıvrımları da geçerek çubuk boyunca ilerliyor. Uçları perdahlanmış lif demetlerinin önüne konan nesnelerin görüntüsü, demetin öteki ucunda beliriyor.
Optik liflerin özelliklerine bir çarpıcı örnek de bakır kablolarla karşılaştırılarak veriliyor. Bir bakır kabloyla 50 telefon görüşmesi yapılırken, eş kalınlıkta optik elyafdan 300 bin görüşme yapılabiliyor. İlginç olan, liflerin kesiti küçüldükçe ayrıntıları seçme gücünün de artıyor olması... İletişim uzaklığı yönünden ise, bir bakır kabloyla birkaç kilometre olan mesafe, optik elyafla 100 km'ye ulaşabiliyor. Tabii, bu arada da "sinyal karışması" tamamen ortadan kalkıyor. Bu tip malzemenin ömrü açısından yapılan bir incelemede ise, optik elyafın bakıra göre yaklaşık üç kat daha uzun ömürlü olduğu saptanmış...
Temel hammaddesi "silikon tetraklorür" (SiC14) olan optik elyafın, geleceğinin çok parlak olmasına karşın, gereken saflıkta elde edilmesi de bir o kadar güç ve pahalı... Türkiye'de fiber optiği inceleyen uzmanlardan birisi olan Dr. Baha Kuban, bunu ilginç bir örnekle açıklıyor: "Optik elyafın çok temiz bir odada çekilmesi gerekiyor. Öyle ki, bir çekme odasında havada bulunan toz partiküllerin sayısı bir metreküpte en çok 1000 ile 10.000 arasında olmak zorunda... Ayrıca, üretim için gereken hidrojen, oksijen, germanyum, argon, helyum ve silikon tetraklorür gibi pahalı bir takım gaz ve kimyasalların da yüzde 99.999 gibi ulaşılması çok güç saflıkta olmaları şart..."
Günlük yaşantıda cam, ilk bakışta kişiye sıradan ve çok alışılmış bir madde gibi geliyor. Cam türleri ve elde edilişindeki karmaşık yapı bir yana, camı görmemize yarayan; ışık, cam rengi ve görme olaylarının hepsi birden önemli ve vazgeçilmez bir bilimsel birikimi zorunlu kılıyor. Konu, camın optik özellikleri, cama renk veren oksitler ve rengin göz tarafından algılanması gibi noktaların ayrıntılı bilinmesini gerektiriyor.
Işığın, pek az bilimsel bir yaklaşımla, "uzayda maddi bir ortama gerek duymadan sabit hızla yol alan elektromanyetik enerjinin, insan gözü tarafından algılanan kısmı" olduğu söylenebilir. Bu hız da yaklaşık saniyede 300 bin kilometre... Eletromanyetik enerji sonunda ortaya çıkan dalgaların frekansları artıp dalga boyu kısaldıkça dalga enerjisi de artıyor. Böylece, kısa uzun radyo dalgalarından yeşil renge, mor ötesi ışınlardan kozmik ışınlara değin bütün ışınımların birbirine benzer olduğu sonucu çıkıyor. "Homo sapiens" olarak, biz bu geniş yelpazenin ancak 400-700 nm. dalgaboyu arasında kalan daracık bir bölgesini "gün ışığı" olarak algılayabiliyoruz.
İşte bu gün ışığı, cam gibi bir yüzeye çarptığında bir kısmı yansıyor, diğer bir bölümü de kırılarak camın içinde ilerliyor. Bu kırma özelliğine camın "kırma indisi" adı veriliyor. Örneğin, borosilikat camın kırma indisi 1.47, kurşunlu kristal camınki ise 1.55... Biri plastiğe benzer bir görünüşe sahipken, diğerinin pırıltılı ve gözalıcı olmasının nedeni, işte bu kırma indileri arasındaki fark...
Görünür bölgenin hemen yanında yer alan morötesi (ultraviole) bölgedeki ışınlar üzerinde camın güçlü bir soğurma (absorbsion) etkisi var. Görünür bölgede oluşan soğurma ise camda renklenmeye ve koyulaşmaya yol açıyor. Beyaz ışığı oluşturan renk dalga boylarından birinin diğerlerinden daha fazla soğurulması, camın renkli algılanmasına neden oluyor. Soğurma olayı, günlük kullanım camlarından çok optik camlar için çok önemli... Örneğin, bilgi taşıyan optik elyaflar içindeki ışığın, enerjisini kaybetmeden yüzlerce kilometre yol alması gerekiyor. Pencere camlarında ise soğurmanın kontrol edilmesiyle yapılarda ısı kontroluna yardımcı olan camlar üretiliyor.
Gözümüzün bu renkleri algılamasına gelince, bu öncelikle fizyolojik ve psikolojik olaylar dizisinin bir toplamı olduğu kabul ediliyor. Gözümüzde, gün ışığının içindeki renk frekanslarına duyarlı uzman hücreler var. Hangi renge ait frekans geliyorsa, bu dalgaboyuna duyarlı hücre sinyalini beyne gönderiyor. Böylece beyin, gelen ışığı sözü edilen renk olarak algılayıp kabul ediyor.
Camlara renk vermede genellikle metal oksitler kullanılıyor. Aynı metalin değişik oksitleriyle farklı renkler elde edildiği gibi, aynı metal oksit değişik cam karışımlarıyla yine farklı renkler verebiliyor. Yüzyıllardır insanlar, deneye yanıla hangi oksidin ne koşullarda nasıl bir renk vereceğini artık biliyorlar. Renk verici maddeler cam karışımıyla birlikte eritiliyor. Ama, bu maddelerin camı niçin renklendirdiği henüz tam olarak açıklanmış değil. Çünkü, bu maddelerin hiçbiri renk ve boya maddesi değil. Örneğin, altın tozu gibi sarı renkli bir madde camı kırmızıya boyayabiliyor. Bilim buna, "atomik yapının bazı renklerin dalga boylarını soğurduğunu, diğerlerini de serbest bıraktığı yolunda" bir açıklama getiriyor. Tabii, bu durumda renk diye birşeyin sözkonusu olmadığı; bizim bu dalga boylarını renk olarak algıladığımız ortaya çıkıyor.
Ayrıca demir (Fe), soda-kireç camları içinde mavimsi yeşil ve sarımsı yeşil; krom (Cr) ise, yine soda-kireç karışımlı camlarda zümrüt yeşili ve sarı renk veriyor. Kobalt (Co), soda-kireç camlarında kendi adıyla bilinen morumsu maviyi; alkali borat karışımlı camlarda ise pembe renkleri veriyor. Bakır (Cu), soda-kireç camlarında turkuvaz maviye, borosilikat camlarda sodyum oksit (Na20) artışına bağlı olarak yine turkuazdan maviye giden bir değişim yaratıyor. Bakırın kurşunlu camlardaki etkisi ise yeşil tonlarında... Soda-kireç camlarında manganın (Mn) renklendirmesi eflatun bir onla gerçekleşiyor. Nikel (Ni) de lityum karışımlı camlarda san, potasyumlu camlarda pembe-eflatun tonları, soda-kireç camlarında ise kahverengi tonlar biçiminde etkisini gösteriyor. Ayrıca, bu metal oksitlerini karıştırarak, bronz, bal ve gri gibi özel renkler de elde edilebiliyor.
Camı temel olarak bütünüyle renksiz biçimde elde etmek imkansız... Çünkü cam hammaddesi (Si-02) içinde eser miktarda bulunan demir oksit cama her zaman yeşilimsi tonda bir renk veriyor. Bu, aslında istenmeyen bir renk ve yok edilmesi çok büyük önem taşıyor. Tamamen yok edilemeyen bu renk de ancak fiziksel ve kimyasal olarak maskeleniyor. Bunun için cam harmanına arsenik (As), selen (Se) ve kobalt (Co) üçlüsü renksizleştirici olarak katılıyor.
Camın binlerce yıl önce ortaya çıkışı büyük bir olasılıkla rastlantı eseriydi. Bu mutlu rastlantı, yüzyıllar boyu pek fazla değişmeden insanlar arasında varlığını sürdürdü. Bilim ve teknolojinin geçen yüzyılda yaptığı sıçramayla cam da bu özelliğini değiştirdi, yüksek teknolojik bir ürün olma yolunda epey ilerledi. Ancak, cam bilimindeki birçok tanımın daha yerine bile tam oturmayışı, bu çok yeni olan başlangıcıyla açıklanabiliyor.
İrfan UNUTMAZ
Curuftan cam seramiğe...
Prof.Dr. Lütfi ÖVEÇOĞLU
Cam seramik malzemeler, kristallenmeye uygun camların kontrollü şartlarda kristallenmesi sonucu üretilen malzemeler... Bunlar, metallere göre özellikle üstün aşınma ve korozyon dayanımı, camlara göre de yine üstün tokluk ve darbe direncine sahip. Bu nedenle cam seramikler, bina iç ve dış yüzey kaplaması, sürekli sürtünmeyle yüzyüze olan yatak parçaları, kimyasalların depolanması, pompa ve valf olarak uygulama alanı buluyor.
Geçtiğimiz son otuz yıl içersinde özellikle çevreye zararlı atık elektrik santral külleri ile demir-çelik curufların değerlendirilerek cam seramik ürünlere dönüştürülmesi önem kazandı. Özellikle eski Sovyetler Birliği'nde yürütelen çalışmalar sonucu, bu tip atıklardan, yüksek aşınma dayanımına sahip, aynı zamanda dekoratif amaçlı dış cephe yüzey kaplamaları ve yer karoları üretildi.
İ.T.Ü. Kimya Metalürji Fakültesi'nde deney için üretilen cam seramikte kullanılan atık curuf, Karabük Demir Çelik Fabrikası'ndan elde ediliyor. Başlangıçta iri boyutlu taneler şeklinde ve nemli olan curuf, 110 C'de kurutulduktan sonra öğütülerek toz haline getiriliyor. Çekirdeklendirici olarak kullanılan Pozantı kromit cevherinin atığı, curufla karıştırılmadan önce kırılıp toz haline sokuluyor. Curuf tozlarına ayrıca ağırlıkça yüzde 17.2 oranında kromit tozu ilave ediliyor. İnce toz halinde ve homojen karışmış kromit katkılı curuf "şamot" potalarda 1350-1370 C sıcaklıklarda 8 saat ergitildikten sonra oda sıcaklığında paslanmaz çelik kalıplara dökülerek cam haline getiriliyor. Sonra, 785 C sıcaklığında 6 saat çekirdeklendirme ve 1050 C sıcaklığında ise bir saat kristallendirme ile cam seramik elde ediliyor. Çekirdeklendirici olarak kromit yerine eser miktarda titanyum dioksit (TiO2) katılırsa sonuç daha başarılı oluyor.
Cam sürekli araştırma isteyen bir malzeme. Türkiye"de cam konusu, İTÜ Metalurji Bölümü ile Şişecam laboratuvarında araştırılıyor.
Hazırlayanlar : merakediyorum grubu üyeleri merakediyorum@googlegroups.com
--
Bu e-postayı Google Grupları'ndaki "Cadıların Mekanı - İnternetkadin.com" adlı gruba abone olduğunuz için aldınız.
Bu gruba kayıt göndermek için cadilarmekani@googlegroups.com adresine e-posta gönderin.
Bu gruba olan aboneliğinizi iptal etmek için cadilarmekani+unsubscribe@googlegroups.com adresine e-posta gönderin.
Diğer seçenekler için http://groups.google.com/group/cadilarmekani?hl=tr adresinden grubu ziyaret edin.