Metalik camları konuşmaya başlamadan önce günlük yaşantımızda kullandığımız nesneleri düşünelim: su şişeleri, binalar, plastik sandalyeler… Çeşitli nesneleri tasarlarken ne tipte malzeme kullanacağımıza pek çok şeyi göz önüne alarak karar veriyoruz: nesnelerin kullanım amaçları, kullanım koşulları, malzemelerin özellikleri ve maliyeti gibi. Daha pratik bir şekilde açıklamak gerekirse, bina desteği olarak plastik yerine çelik kullanıyoruz çünkü çelik ucuz ve dayanıklı bir malzeme. Benzer mantıkla, çelik yerine plastik su şişeleri üretiyoruz çünkü plastiğe şekil vermek daha kolay ve plastik bir nesne üretmenin maliyeti düşük. Çelik ve plastik gibi malzemelerin özellikleri, bu malzemelerden yapılacak nesnelerin kullanım alanlarına göre avantaj veya dezavantaj olarak değerlendirilebilir.

Basit örneklerimize geri dönecek olursak; plastik kolay şekil verilebilir ve ucuz olması sebebiyle oldukça sık kullanılan bir malzeme ama inşaat alanında bina desteği olarak değil! Sebebi ise çok basit: Plastik kolay bükülen bir malzeme. Eğer bina desteği gibi güç gerektiren bir amaç için kullanmak üzere bir malzemeye ihtiyaç duyarsak, plastiğin kolay bükülebilir olması bir dezavantaj. Öte yandan, çelik en dayanıklı malzeme olmamasına rağmen göreli olarak ucuz olması, onu güç gerektiren görevler için en çok tercih edilen inşaat malzemelerinden biri haline getiriyor! Fakat, her malzeme gibi çelik de bir dezavantaja sahip: Çeliği farklı ve karışık biçimlere şekillendirmek zor.

Malzemelerin kullanım alanlarını sınırlayan dezavantajları, bilim insanlarının hala farklı malzemeler üzerinde çalışmasının sebebi. Temelde, bilim insanları farklı malzemeler üretmek istiyor: ucuz, üretimi kolay, çelik kadar dayanıklı ve plastik kadar uyum sağlayabilir bir malzeme mesela. Kulağa hoş geliyor, değil mi? İşte tam da burada metalik camlardan bahsetmemiz doğru olacak…

 

Metalik camlar

Katı malzemeleri iki gruba ayırabiliriz – kristaller ve amorflar. Kristal malzemeler amorf malzemelere oranla daha düzenli atomik yapıya sahipler.

Sıvı haldeki herhangi bir malzeme soğutularak katı hale getirilebilir. Eğer bu esnada malzemeyi oluşturan atomlar düzenli bir yapı oluşturacak şekilde bir araya geliyorsa oluşan katıya kristal adını veriyoruz. Tekrarlamak gerekirse ,sıvı haldeyken daha özgür hareket eden atomlar, soğutuldukça daha az hareket etmeye başlar, hareketleri kısıtlanan atomlar düzenli bir yapı oluşturacak şekilde bir araya gelir ve en sonunda da malzeme katı kristal haline donar.

Şeker, altın ve elmas gibi kristal katılar, kendi atomlarının oluşturduğu özel yapılara göre karakterize edilirler. Bu yapı, tüm katı malzeme boyunca aynı, yani uniform, olduğu için malzeme, moleküler düzeyde görüntülendiğinde her yönden aynı görünür. Tabii ki tüm katılar kristal değil. Kristal olmayan yani amorf dediğimiz katıların en bilinen örneği cam. Cam sıvı halden katı hale soğutulurken az önce bahsettiğimiz kristal yapıyı oluşturmaz. Amorf malzemelerin atomları, kristal malzemelere oranda daha rastgele bir yapı oluşturur ve genel olarak sıvı hallerindeki yapılarına daha benzer olurlar.

Genelde cam denilince aklımıza tipik transparan, silikat camlar geliyor. Bu tipteki camlar az miktarda metal oksit içerse de, metalik değiller. Yani elektrik iletmiyorlar ve dayanıklı değiller. Metalik camlar, metalik özellikler gösteren amorf katılar ve çok yaygın bir şekilde bulunan malzemeler değiller. Çünkü, onları üretmek çok da kolay değil. Normalde metaller soğutulunca düzenli bir kristal yapıya sahip olacak şekilde katılaşırlar. Ancak, bir metali çok hızlı bir şekilde soğutarak amorf yapıya sahip metalik cam üretebiliriz! Mesela, platinyum, paladyum, zirkonyum gibi metallerin karıştırılmasıyla oluşan alaşımların kontrollü bir şekilde soğutulmasıyla metal cam üretebiliriz.

 

Metalik camların özellikleri:

– Herhangi bir cam malzeme gibi, metalik camlar da ısıtılınca cam hale geçer. Bu aşamada ise akışkanlığı kolayca kontrol edilebilir ve kolay şekillendirilebilir.

– Metalik camlar tıpkı plastik malzemeler gibi kırılmaya dayanıklı ve sert (teknik terimiyle, yüksek tokluğa sahipler).

– Çürüme ve aşınmaya dayanıklılar.

– Demir içeren metalik camlar manyetik özelliklere sahiptir.

Eğer metalik camlar ve özellikleri hakkında daha fazla bilgi edinmek isterseniz, Hamdi Ekici’nin KBT kuark.org’da yayınlanan “Metalik camların özellikleri ve tarihçesi” adlı makalesine göz atabilirsiniz.  

 

Metalik camlar üzerine yapılan güncel çalışmalar:

Yukarıda bahsettiğimiz özellikleri sebebiyle, metalik camların, yapay eklem gibi pek çok tıbbi implant aleti olarak kullanılma potansiyelleri çok yüksek. Dolayısıyla metalik cam üretiminde çözülmesi gereken zorluklar popüler bir araştırma alanı. Özellikle de bu malzemelerin kırıldığı veya çatladığı zaman ne kadar enerji yayacağını tahmin etmek, kullanım alanlarının sınırlarını belirleyeceği için, gitgide önem kazanan bir araştırma alanı.

New York’taki Rensselaer Politeknik Enstitüsü’nde çalışan bilim adamı Yunfeng Shi’nin çalışmasından önce bir malzemenin kırıldığında yaydığı enerji miktarını (kırılma enerjisini) atomik düzeyde ölçecek bir yöntem henüz yoktu. Dr. Shi ve iş arkadaşı Binghui Deng metalik camların kırıldıkları zaman nasıl davrandıklarını atomik düzeyde anlamamızı sağlayacak bir simülasyon yöntemi geliştirdiler. Bu yöntem, hem bilgisayar destekli malzeme tasarımında, hem de metalik camların özelliklerini anlamamızda oldukça ise yarayacak gibi görünüyor.

Malzemelerin temel bir özelliği olan kırılma enerjisi, bir malzeme kırıldığında yeni oluşan katı kırılmış yüzeylerin birim alanına düşen toplam enerji olarak tanımlanabilir. Binghui Deng’e göre metalik camların kırılma enerjisini hesaplamak çok önemli; çünkü, bu özellik bize malzemenin -çok yüksek sıcaklık veya basınç gibi- olağanüstü durumlarda nasıl tepki vereceğini anlamamızı sağlıyor.

Bir alaşımın üretim koşullarını (soğutma hızı gibi) kontrol ederek, onu metalik cam haline getirmek prensipte mümkün. Belirli bir uygulamada kullanmak için en uygun malzemeyi seçebilmek gerekli. Bu seçim içinse, alaşımların stres altında nasıl davranacağını bilmek gerekiyor. Deng ve Shi bunu araştırmak için moleküler dinamikleri denilen bir simülasyon yöntemi kullanıyor. Moleküler dinamikleri simülasyon yönteminde her atomun etrafındaki atomlarla nasıl etkileştiğini anlayabiliriz. Newton’un ikinci yasasını (kuvvet = kütle x ivme) kullanan bu yöntemle, atomların çevresinde olan değişimlere göre nasıl tepki verdiklerini yani hızlarının ve pozisyonlarının zaman içerisinde nasıl değiştiğini hesaplayabiliriz. Bu tip keşifsel simülasyon yöntemleri, rastgele bir şekilde oluşabilecek gerçekçi koşullar altında malzemelerin nasıl davranacağını yaklaşık olarak tahmin etmekte kullanılıyor. Özellikle Deng ve Shi’nin geliştirdiği haliyle, malzemedeki depolanmış elastik enerjinin, malzemenin çatlamasına bağlı olarak nasıl değiştiğini incelemek mümkün. Bu nedenle Shi, bilgisayar-destekli tasarımın malzeme üretiminde kullanımının giderek artacağını düşünüyor.

Kaynaklar:

  1. ScienceDaily internet sayfasında, 19 Temmuz 2018 tarihinde yayınlanan, Amerikan Fizik Enstitüsü’ne ait “Bilgisayar modeli çatlayan metalik camların atomik düzeyde nasıl enerji yaydığını tahmin ediyor” isimli makale: www.sciencedaily.com/releases/2018/07/180719104828.htm.
  2. Binghui Deng, Yunfeng Shi. On measuring the fracture energy of model metallic glasses. Journal of Applied Physics, 2018; 124 (3): 035101 DOI: 10.1063/1.5037352
  3. https://www.physik.unibas.ch/de/departement/infrastruktur-dienstleistungen/technologie/metallic-glasses.html
  4. https://www.scienceabc.com/innovation/metallic-glass-will-revolutionize-future.html
  5. http://www.kuark.org/2014/12/metalik-camlarin-ozellikleri-ve-tarihcesi/

Yazan: Tuğba Öztürk

Düzenleyen: Mehmet Ali Öztürk