Sıvı ve Katı Arasında Gizli Bir Hal Bulunmuş Olabilir
Cam mükemmel bir şekilde düzenlenmiş bir katı gibi görünebilir ve hissedilebilir, ancak yakından bakıldığında parçacıkların kaotik düzeni, zaman içinde donmuş serbest düşen bir sıvının çalkantılı karmaşasına daha çok benzemektedir.
Amorf katılar olarak bilinen bu durumdaki malzemeler kolay bir açıklamaya meydan okuyor. Hesaplama ve simülasyon içeren yeni araştırmalar ipuçları veriyor. Özellikle, sıvı ve katı haller arasında bir yerde, var olduğunu bilmediğimiz bir tür yeniden düzenleme olduğunu öne sürüyor.
Berkeley’deki California Üniversitesi’nden bilim insanları Dimitrios Fraggedakis, Muhammad Hasyim ve Kranthi Mandadapu’ya göre, aşırı soğutulmuş sıvı ve katıların sıcaklık sınırında, statik parçacıkların yerinde ‘seğirerek’ heyecanlı kaldığı bir davranış var.
Günlük yaşamda maddenin üç temel haline büyük ölçüde aşinayız: katı, sıvı ve gaz ya da buhar. Her biri, parçacıkları ve çevreleri arasındaki ilişkilerle tanımlanır.
Bunlardan biri diğerine dönüştüğünde – örneğin bir katının eriyerek bir sıvıya dönüşmesi veya bir sıvının buharlaşarak bir gaza dönüşmesi – bu bir hal geçişi olarak bilinir.
Ancak madde bu üç temel durumdan biraz daha karmaşıktır. Örneğin atomlar o kadar ısınabilir ki yükleri birbirinden ayrılarak bir plazma oluşturabilir. Soğutulduğunda ise bazı parçacık sınıfları kimliklerini tamamen kaybederek bir kuantum bulanıklığına dönüşebilir.
Amorf katılar, iyi düzenlenmiş katılar ile gevşek bağlanmış sıvıların garip karışımlarıdır. Katıların içindeki parçacıklar, uygun düşük sıcaklıklarda yerlerine kilitlendiklerinde komşularıyla öngörülebilir bağlantılar kurma eğilimindeyken, amorf katılar bir sıvının düzensiz düzenine sahiptir.Görünüşte gelişigüzel olan bu bağlantıların, akan moleküllerin viskoz akışlarından statik bir manzaraya nasıl geçtiği açık olmaktan uzaktır.
En bilindik örnek olarak camı kullanırsak, onu oluşturan oksijen ve silikon elementleri ısıtıldığında akar. Yavaşça soğutulduğunda, bu parçacıkların kuvars adı verilen düzenli bir kristal yapı oluşturmak için zamanları olur. Hızlı bir şekilde soğursa, parçacıklar bir şekilde düzensiz bir düzenlemeyi korur; bu, amorf bir katı haline geldiği noktadır ve meydana geldiği sıcaklık başlangıç sıcaklığıdır.
Fraggedakis, Hasyim ve Mandadapu, geçmiş deneylerin sonuçlarıyla birlikte hesaplama ve simülasyon kullanarak, bu geçişin o kadar da düzgün olmayabileceğini, normal sıvı ve aşırı soğutulmuş halleri arasında oturan parçacıkların özel bir aktivitesini içerdiğini belirledi.
Mandadapu, “Teorimiz model sistemlerde ölçülen başlangıç sıcaklığını öngörüyor ve aşırı soğutulmuş sıvıların bu sıcaklık civarındaki davranışlarının, yapıları sıvınınkiyle aynı olmasına rağmen neden katıları andırdığını açıklıyor” diyor.
“Camsı dinamikler için başlangıç sıcaklığı, aşırı soğutulmuş bir sıvıyı sıvıya ‘eriten’ bir erime sıcaklığı gibidir. Bu, tüm aşırı soğutulmuş sıvılar veya camsı sistemler için geçerli olmalıdır.”
Sarı bölgeler, başlangıç sıcaklığının üzerinde (solda), aşırı soğutulduğunda (sağda) mavi ile gösterilen daha katı bir duruma geçen daha hareketli molekülleri göstermektedir. (Kranthi Mandadapu)
Aşırı soğutulmuş bir sıvıdaki atomların genel akışı etkin bir şekilde sıfır olsa da, parçacıklar yerlerinde sıkışmış haldeyken sürekli olarak konfigürasyonlarını değiştiriyor ve bu da uyarım adı verilen hareketlerle sonuçlanıyor. Araştırmacılar, 2D aşırı soğutulmuş sıvıdaki bu eksitasyonları kristal bir katıdaki kusurlar olarak ele aldılar ve sıcaklık değiştikçe ne olacağını hesapladılar.
Bağlı uyarım çiftlerinin başlangıç sıcaklığında bağlantısız hale geldiğini, bunun da malzemenin sertliğini kaybetmesine ve normal bir sıvı gibi davranmasına neden olduğunu buldular.
Ekip, modellerinin geçişin üç boyutta da nasıl işlediğini anlamak için genişletilebileceğine ve gelecekteki deneysel çalışmalar için teorik bir temel sunabileceğine inanıyor.
Mandadapu, “Tüm arayış, aşırı soğutulmuş sıvı ile yüksek sıcaklıktaki sıvıyı birbirinden ayıran şeyin ne olduğunu mikroskobik olarak anlamak” diyor.
“Bu aşırı soğutulmuş sıvıların neden bildiğimiz normal sıvılardan oldukça farklı dinamikler sergilediğini incelemek temel bilim açısından büyüleyici.”
Kaynak: https://www.sciencealert.com
Derleyen: Figen Berber