Amorf yapıdaki seramikler

Seramik malzemelerin katı fazdaki yapılarını incelediğimizde, atomların çoğu zaman önceki konularda bahsettiğimiz kristal simetrilerinde düzenlenmediklerini görüyoruz. Malzeme biliminde amorf (İngilizce: amorphous) adını verdiğimiz bu düzensiz yapı, aslında sadece seramiklere mahsus değil. Metallerde ve polimerlerde de amorf yapı örnekleriyle zaman zaman karşılaşıyoruz. Atomların herhangi bir simetriye sahip olmadan kümelendikleri bu amorf yapılara, malzeme biliminde camsı malzemeler adını veriyoruz. Amorf yapıya sahip camsı malzemelere örnek olarak metalik cam ve polimer bazlı camlar (akrilik cam gibi) yanında, günlük hayatımızda kullandığımız camı da gösterebiliriz.

Not: Bu içeriği genişletilmiş haliyle video olarak da izleyebilirsiniz. Dersler başlığı altındaki Temel Malzeme Dersleri video listesine göz atmak için resme tıklayın.

Camsı malzemelerin kristal yapıya sahip olmaması, kristalleşmeden katılaştıkları anlamına geliyor. Kristallenmenin gerçekleşmediği bu katılaşma süreci, malzeme biliminde tarif ettiğimiz şekliyle katılaşma sürecinden oldukça farklı. Çünkü katılaşma terimi özünde bir faz dönüşümünü, yani bir fazdan başka bir faza geçişi ifade ediyor; amorf yapıdaki sıvı fazdan düzenli yapıdaki katı kristallerinin oluşması gibi. Camsı malzemelerin katılaşmasında ise, katı oluştuğu sırada sıvı fazdaki düzensiz yapının korunduğunu, yani fazın yapısında bir değişim gerçekleşmediğini görüyoruz. Dolayısıyla, camsı malzemelerde gözlemlediğimiz şekliyle katılaşma bir faz dönüşümünü değil, sıvının akışkanlığının sıcaklık düştükçe azalarak bir noktada tamamen kaybolmasını ifade ediyor. Akışkanlığın tamamıyla kaybolduğu bu noktaya cam dönüşüm sıcaklığı (İngilizce: glass transition temperature) adını veriyoruz.

Katılaşma, camsı malzemelerde bir faz dönüşümüyle gerçekleşmediği için, malzemenin katı ve sıvı fazdaki bazı özellikleri arasında ani değişimler de gözlemlemiyoruz. Aşağıdaki resimde, örnek olarak, kristal ve amorf katıların sıcaklığa bağlı olarak hacimlerinin nasıl değiştiği gösteriliyor. Kristalleşerek katılaşan malzemelerin erime (ya da katılaşma) noktalarında hacimlerinde ani bir azalma meydana geliyor (soldaki resim). Camsı bir malzeme katılaştığında ise, atom düzeninde radikal bir değişiklik olmaması nedeniyle malzemenin hacmi kesintiye uğramadan azalıyor (sağdaki resim).

Cam dönüşüm sıcaklığı bütün malzemelerde erime noktasından daha düşük bir sıcaklık değerine denk geliyor. Dolayısıyla camsı bir yapı elde edebilmek için, sıvı fazdaki bir malzemenin erime noktasının altına soğutulduğunda hala sıvı fazda kalması gerekiyor. Bunun için de sıvının  kristalleşmesine fırsat vermeden, çok hızlı soğutulması gerekiyor. Karmaşık moleküler yapıları nedeniyle polimerlerde cam oluşumu çok yüksek soğuma hızına gerek olmadan gerçekleşebiliyor. Kristalleşmeleri nispeten daha kolay olan metallerde ise, camsı yapı ancak sıvının çok hızlı soğutulmasıyla elde edilebiliyor.

Camsı seramiklerin yapısından her ne kadar amorf olarak bahsetsek de, bu tür seramiklerdeki atomlar camsı metallerde olduğu gibi tamamıyla rastgele bir düzende konumlanmıyorlar. Metallerde camsı yapı oluşurken, metalik bağın herhangi bir yöne doğru kurulabiliyor olması nedeniyle atomlar rastgele bir dağılım gösterebiliyorlar. Seramiklerde ise, atomlar arası bağların kovalent ya da iyonik karaktere sahip olması, düzensiz bir yapıda bile atomları belli konumlara yerleşmek zorunda bırakıyor.

Örnek olarak, günlük hayatta kullandığımız çoğu cam eşyanın yapı taşlarından biri olan silisyum dioksit (SiO₂) bileşiğini ele alalım. Kristal yapıdaki bu bileşik, her bir silisyum atomuna dört oksijen atomunun bağlandığı tetrahedron simetrisi sergiliyor.

Aşağıdaki iki resimde, kolaylık sağlaması açısından, bileşiğin yapısı iki boyutlu olarak gösteriliyor. Kırmızı renkle gösterilen silisyum atomlarının normalde dört oksijen atomuna bağlanması gerekirken, dördüncü atomun bulunduğu düzlem silinerek, yapı aşağıda iki boyutlu olarak resmediliyor. Soldaki resim kristal yapıdaki bileşiğin, sağdaki resim ise hızlı soğutularak elde edilen amorf yapıdaki bileşiğin yapısını gösteriyor. Seramiklerde atomlar arası bağların bazı yön dayatmalarına tabi olması nedeniyle, amorf yapıdaki seramik kristalleşmiş haline benzer şekilde, fakat simetrisi bozulmuş olarak karşımıza çıkıyor. Aşağıdaki amorf yapı gösteriminde her Si atomunun, kristal yapıdakiyle aynı sayıda oksijen atomuna bağlanmış olduğuna dikkat ediniz.

Amorf seramiklerde atomların amorf metallerde olduğu gibi tamamen rastgele bir şekilde dağılamıyor olmasının nedeni, atomlar arasındaki bağların farklı türde olmasından kaynaklanıyor. Tekrar etmek gerekirse, metalik bağda bütün atomlar sahip oldukları dış yörünge elektronlarını ortak bir elektron bulutuna bırakarak birbirlerine bağlanıyorlar. Bu bağ türünde de atomlar dış yörünge elektronlarından kurtuldukları için iyonlaşıyorlar. Fakat oluşan iyonların aynı türde (yani katyon) olması, aynı zamanda metalik bağın herhangi bir yöne doğru kurulabiliyor olması nedeniyle camsı metallerde atomlar rastgele dağılabiliyorlar. Amorf seramiklerde ise katyonların anyonlarla birlikte bulunması ve oluşan bağların birebir elektron paylaşımına dayalı olması, atomları birbirlerine göre belli açılarda konumlanmak zorunda bırakıyor. Sonuç olarak seramiklerde gözlemlediğimiz şekliyle amorf yapılar, yukarıda sağdaki resimde gösterildiği gibi, atomların düzensiz ama yine de tam anlamıyla rastgele bir şekilde dağılmadan sıralanmasıyla karşımıza çıkıyor.

Devamı:

• Sonraki sayfa: Polimerler: Organik bileşiklerin gösterimleri
• Önceki sayfa: Seramik kristallerinde yapısal hatalar
• Ana konu başlığı: Temel Malzeme Bilgisi