Bilim insanlarına göre camla ilgili çözülmesi gereken pek çok sır var. Atomlarının nasıl düzenlendiği ve nasıl davrandığı; özellikle şaşırtıcı derecede opak olmaları, bilim insanları için hala açıklanmayan bir sorun.
Bu sorun aslında; camın şekilsiz bir katı, katı ile sıvı arasındaki gizemli alanda yatan bir malzeme sınıfı olmasından kaynaklıdır. Camsı malzemeler ayrıca; polimerleri veya yaygın olarak kullanılan plastikleri içerir.
Stabil ve statik gibi görünse de; cam atomları denge için, sinir bozucu derecede boşuna bir arayış içinde sürekli birbirine karışırlar. Bu karmaşık davranış; araştırmacıların cam fiziğini tespit etmesini neredeyse imkansız hale getirdi.
Northwestern Üniversitesi, Kuzey Dakota Eyalet Üniversitesi ve Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü‘nü (NIST) içeren çok kurumsal bir ekip; polimerik camlara biraz daha fazla netlik kazandırmak için bir algoritma tasarladı. Algoritma; araştırmacıların dinamik özelliklere sahip materyaller tasarlamalarını ve sürekli değişen davranışlarını öngörmelerini sağlamak için Kaba Taneli Modeller oluşturmalarını mümkün kılıyor. “Enerji Yeniden Normalleştirme Algoritması” (Energy Renormalization Algorithm) olarak adlandırılan, farklı sıcaklıklarda camın mekanik davranışını doğru bir şekilde tahmini sağlayan ilk çalışmadır. Optimum özelliklerle tasarlanan yeni malzemelerin hızlıca keşfedilmesine neden olabilir.
Northwest Üniveristesi Araştırma Lideri Sinan Keten: “Mevcut malzemelerin keşfi süreci on yıllar alabilir. Yaklaşımımız moleküler simülasyonları kabaca bin kat arttırıyor. Böylece materyalleri daha hızlı tasarlayabilir ve davranışlarını inceleyebiliriz.”
Keten’le birlikte çalışmalarını yürüten NIST Araştırma Görevlisi Jack F. Douglas: “Camsı materyaller etrafımızda olmasına rağmen, bilim insanları sıcaklık ve kompozisyon gibi akışkanlık ve yayılma özelliklerini anlama konusunda hala mücadele ediyorlar. Bu anlayış eksikliği, yeni malzemelerin rasyonel tasarımında ciddi bir sınırlamadır.”
Camın bu garip davranışı; yaratılma şeklinden kaynaklanıyor. Cam önce; hızlı bir şekilde soğutulan sıcak bir erimiş malzeme havuzu olarak başlar. Nihai malzeme; soğutulmuş bir durumda dengeye ulaşmak istemesine rağmen, değişen sıcaklıklara karşı oldukça hassastır. Malzeme ısıtılırsa; mekanik özellikleri önemli ölçüde değişebilir. Bu; araştırmacıların mevcut moleküler simülasyon tekniklerini kullanarak mekanik özellikleri etkin bir şekilde tahmin etmelerini zorlaştırır.
Northwestern McCormick Mühendislik Okulu Makine, İnşaat ve Çevre Mühendisliği Profesörü Keten: “Cam göründüğü kadar basit, ancak garip bir malzemedir. Amorf (katı) ve denge yapısına sahip değil, bu yüzden moleküllerinin yavaş hareketleriyle sürekli gelişiyor. Her camsı malzemenin sıcaklığına ve moleküler özelliklerine bağlı olarak nasıl geliştiğine dair çok fazla çeşitlilik var. Moleküler simülasyonlarda hesaplanması çok uzun zaman aldı. Hesaplamaları hızlandırmak ancak moleküllerin konumlarını daha basit yapısal modellerle eşleştirebilirsek mümkün olur. ”
Camın yapısı; atomların düzenli, tahmin edilebilir ve simetrik bir şekilde düzenlendiği kristalimsi bir katıyla tam bir tezat oluşturuyor.
Keten: “Kristalize malzemelerdeki atomları haritalamak kolay çünkü yinelenen bir yapıya sahipler. Amorf bir malzemede, uzun menzilli düzen eksikliğinden dolayı yapının haritasını çıkarmak zordur.”
Xia: “Camın şekilsiz ve düzensiz doğası nedeniyle, özellikleri, büyük ölçüde sıcaklığa bağlı olarak değişebilir, bu da fiziksel davranışını tahmin etmeyi oldukça zorlaştırdı. Şimdi, bu sorunu çözmenin yeni bir yolunu bulduk.”
Bu zorluğun üstesinden gelmek için Keten, Douglas, Xia ve ortakları algoritmalarını; cam moleküllerinin zaman içinde değişen sıcaklıklara bağlı olarak hareket edip etmeyeceklerini belirleyecek şekilde tasarladılar. Her bir atomun cam içerisindeki konumunu (yüksek güçlü bir algoritma için bile) hesaplamak oldukça yavaş ve sıkıcı olurdu. Böylece Keten ve ortakları, “Tek Taneli Atomlar”dan ziyade atom kümelerine bakan basitleştirilmiş bir yaklaşım olan “Kaba Taneli Modelleme”yi” kullandılar. Onların yeni metodolojisi; bu kaba tanecikler arasındaki etkileşimler için, verimli bir şekilde parametreler yaratır. Böylece model, camsı malzeme soğurken, moleküler hareketteki dramatik yavaşlamayı yakalayabilir.
Keten: “Nano ölçekli kalınlıkta cam filmler için atom simülasyonu yapamayız, çünkü çok büyük olacaktır. Bu hala milyonlarca molekül demektir. Kaba taneli modeller, laboratuvarda yapılan deneylerle karşılaştırılabilir daha büyük sistemleri incelememize izin veriyor.”
Keten ve ekibi bugüne kadar algoritmalarını zaten iyi tanımlanmış üç farklı polimerik cam oluşturucu sıvı türüne karşı kontrol ettiler. Her durumda, algoritma; bilinen dinamik özellikleri geniş bir sıcaklık aralığında doğru olarak tahmin eder.
