SIVI KRİSTALLER
|
Sıvı kristaller çok hareketli yapılara sahiptirler ve aynı zamanda farklı yapısal özelliklere sahip olan anizotropik mezofazlar sergilerler. Bu mezofazların her biri farklı tür spesifik olan ve spesifik olmayan tekstürler meydana getirir. Sıvı kristalik tekstürler farklı etkilere kar şı hassastır ve sıvı kristalik mezofazların mezomorfik, morfolojik, optiksel ve yapısal özelliklerini yansıtırlar. Dış etkiler altındaki sıvı kristalik tekstürlerin ve onların bir mezofazdan diğerine dönüşüm dinamiklerinin incelenmesi, sıvı kristalik mezofazların fiziksel ve yapısal özellikleri hakkında bilginin elde edilmesini sağlar. Sıvı kristalik materyallerin bir başka önemli özelliği, çeşitli mezofazların arasında faz geçişlerinin olmasıdır. Faz geçişiyle mezofazların yapılarında, sıvı kristallerin fiziksel özelliklerinde ve simetrilerinde değişim meydana gelir. Mezofazlar ile izotropik sıvı arasındaki geçişler ilginçtir. Çünkü bu geçişler fiziksel özellikler açısından anizotropik olan fazlar ile izotropik fazlar arasında gerçekleşir. Bu tür faz geçişleri Simektik-İzotropik sıvı, Kolesterik-İzotropik Sıvı, Nematik-İzotropik sıvı arasında meydana gelir. Bu faz geçişleri 1. derece geçişlerdir ve birçok yönden anlaşılabilir. Bununla birlikte bu geçişlerin bazı özellikleri, özellikle, mezofazdan izotropik sıvıya geçi ve izotropik sıvıdan mezofaza geçişte meydana gelen heterofaz alanlarının karakterlerinin değişimlerindeki özellikler ve ayrıca polimorfik ve monomorfik mezojenlerin bu bölgelerindeki farklılıklar araştırılmaktadır.Sıvı Kristallerin Sınıflandırılması SK’lerin kendine özgü durumunu anlamak için kristalin (katıların) erime noktasında karşılaşılan durumu gözden geçirmek yerinde olacaktır. Kristallerde molekülerin küle merkezleri, üçboyutlu periyodik örgü içinde düzenli olarak yerleşmişlerdir. Molekülerin pozisyonundaki bu düzen sebebiyle bu tür yapılardan elde edilen X-ışını kırınım desenleri keskin Bragg yansımaları göstermektedir. Kristaller eridiğinde, uzun erişimli konumsal düzenin ortadan kalkması sonrası oluşan kısa erişimli konumsal düzeni temsil eden difüz (dağınık) yansımalar gösteren X-ışını desenleri gözlenmektedir. Böle bir ortam her doğrultuda aynı fiziksel özellikleri göstermesi nedeniyle izotropik karakterdedir. Molekülerin çubuk biçimli olduğunu düşünürsek konumsal düzenin yanı sıra molekülerin yönelimlerinden kaynaklanan uzun erişimli bir yönelimsel düzen de söz konusudur. Böle bir kristalin erime noktasında (T m) konumsal düzenin ortadan kalkmasına rağmen, moleküllerin yönelimsel düzeni mevcut kalabilmektedir. Bu düzenden dolayı ortam akışkan nitelikte olmakla beraber anizotropik özellik göstermektedir. Biraz daha ısıtma sonrası her tür simetri ve yönelim düzeninin ortadan kalkması ile madde tümüyle sıvı faza geçmiş olur. SK faz gösteren maddeler erime noktasında kristal yapıyı kaybedip bulanık görünümlü bir sıvıya dönüşmektedir. Bu halin çapraz polarizörler arasında incelenmesi SK’lerin kuvvetli çift kırıcı özellik taşıdıklarını göstermektedir. Sıcaklığın daha da artırılmasıyla ikinci bir faz geçiş noktasına ulaşılır ki bu geçiş noktasında durulanma sıcaklığı(Tc) olarak isimlendirilmektedir. Erime ve durulanma sıcaklıkları SK fazın termodinamik olarak kararlı olduğu sıcaklık bölgesini tanımlar. SK’ler oluşum sebeplerine göre termotropik ve lyotropik olmak üzere iki ana kısma ayrılırlar. Termotropikler çubuksu veya disk biçimindeki molekülerden oluşmaktadır, lyotropikler ise amfibilik nitelikli uzun zincirli molekülerdir.Aşağıdaki şekilde Sıvı Kristallerin sınıflandırılması gösterilmektedir.
Sıvı Kristallerin Genel Türleri ve Özellikleri Sıvı kristaller, bir arada hem katı kristallerin fiziksel anizotropisine hem de sıvıların reolojik özelliklerine sahiptirler. Bu duruma katı ve sıvılarda rastlanmaz. Sıvı kristallerde, katılarda olduğu gibi moleküllerin yöneliminde yüksek derecede bir düzen ve öteleme simetrisi bulunmaz. Ancak moleküllerin yöneliminde belirli bir düzen söz konusudur. İzotropik sıvı fazda ise moleküllerin yönelimi ile ilgili bir düzenden bahsedemeyiz (Şekil 1). Özetleyecek olursak, katı kristaller moleküllerin bulundukları konumlarında sahip oldukları üç boyutlu düzenden ve öteleme simetrilerinden dolayı konum düzenine (positional order) ve moleküllerin belirli bir yönde yönelmelerinden dolayı sahip oldukları yönelim düzenine (orientational order) sahiptir. Sıvı kristallerde ise yönelim düzeni bulunmasına karılık katı kristallerdeki kadar konum düzeni mevcut değildir. Fakat belirli bir derecede konum düzeninin de bulunduğu örnekler mevcuttur. Sıvı molekülleri ise rastgele yöneldiğinden onlarda bu düzenlerden bahsedemeyiz. Sıvı kristaller, katı kristallerin bazı özelliklerini gösterdiklerinden bunlara anizotrop sıvılar diyebiliriz. Sıvı kristallerin anizotropisi fiziksel özelliklerinin yöne balı olmasından kaynaklanır. Fakat izotropik sıvıda bu özelliklerden bahsetmek mümkün değildir. Sıvı kristalik özelliğe sahip materyaller mezomorfik sistemler olarak adlandırılır. Yukarıda da belirttiğimiz gibi mezogenik yapıdaki moleküllerin yönelimini belirli bir düzene koyan etki dipol momentin varlığı ile gerçekleşir. Fakat dipol momente sahip olmayan moleküller de sıvı kristalik yapıyı oluşturabilmektedirler. Mesogenik yapıyı oluşturan etkileşme kuvvetleri üçe ayrılır. Birincisi, dipol-dipol etkileşmelerdir. Dipol momente sahip moleküllerin biribiriyle etkileşmeleri sonucu moleküler belirli bir yönde hizalanarak sıvı kristalik yapıyı oluştururlar. İkincisi, dipol-indüklenmiş dipol etkileşmeler olup dipol momente sahip olan kutuplu moleküllerin kutuplu olamayan moleküllerde dipol moment indüklemesiyle gerçekleşen etkileşmedir. Son olarak ise dispersiyon kuvvetlerini sayabiliriz. Bu durum kutuplu olmayan moleküller arasında gerçekleşir. Moleküllerin dipol momentlerinin ortalaması sıfır olmasına rağmen yük dalgalanmaları nedeniyle dipol momentlerinin karelerinin ortalaması sıfırdan farklıdır. Bu sebeple birbirinin yakınında olan iki nonpolar molekül çekici kuvvet oluşturacak şekilde birbiriyle etkileşme eğiliminde olur.
Şekil 1: Katı, sıvı ve sıvı kristalik fazda bulunan moleküllerin yönelimi
Sıvı Kristallerin Türleri Sıvı kristaller termotropik ve liyotropik olmak üzere iki ana gruba ayrılır. Termotropik sıvı kristallerin yapıtaşları moleküller, liyotropik sıvı kristallerin ise misellerdir. Termotropik sıvı kristaller belirli bir sıcaklık aralığında ortaya çıkarken, liyotropik sıvı kristaller ise hem belirli bir sıcaklık hem de belirli bir konsantrasyon aralığında ortaya çıkmaktadırlar. Termotropik sıvı kristaller Termotropik sıvı kristaller, Nematik, Kolesterik ve Simektik olmak üzere üç ana gruba ayrılırlar. Bir materyalde, bu fazların sadece birisi görülebileceği gibi birden çok faz da görülebilir. Materyalde görülen bu sıvı kristalik fazların herbiri mezofaz olarak adlandırılır.
Smektik Sıvı Kristaller Smektikler, nematiklere göre daha düşük sıcaklıklarda meydana gelirler, bu sebeple katı faza nematiklere göre daha yakındırlar. Smektiklerin molekülleri bir katmanda yerleştiklerinden dolayı yapıları tabakalıdır. Smektiklerde nematiklerden farklı olarak belirli bir derecede konum düzeni mevcuttur. Smektikler, yapılı katlı ve yapısız katlı olmak üzere iki ana gruba ayrılır. Yapısız katlı smektikleri smektik A,C ve C* , yapılı katlı smektikleri ise smektik B,D,E,F,G,H,H* ve L ler oluşturmaktadır.
Kolestirik Sıvı Kristaller Kolesteriklerin yapısını, birçok nematik benzeri iki boyutlu yüzeylerin üst üste konmuş yığını olarak tasavvur edebiliriz. Yön vektörü ile moleküllerin ağırlık merkezi bir yüzeyde yerleşir. Fakat nematiklerden farklı olarak yön vektörü sabit kalmaz, bir yüzeyden diğerine geçerken değişir. Yön vektörü yüzeyler boyunca helis çizerek spiral yapıyı oluşturur. Yön vektörünün helis çizerek bir tur dönmesi için gerekli olan mesafe spiral adımdır.
Termotropik Nematikler Nematikler, termotropik sıvı kristal fazları içinde smektiklere göre izotropik sıvıya daha yakın, en az yönelim düzenine ve en yüksek simetriye sahip olan mezofazdır. Nematiklerde, moleküllerin ağırlık merkezlerinin diziliminde uzun erimli düzen yoktur. Kütle merkezleri üç boyutta izotropik olarak dağılmışlardır. Ayrıca katı kristallerde olduğu gibi moleküllerin diziliminde öteleme simetrisi mevcut değildir. Fakat moleküllerin uzun moleküler eksenleri, yönelim düzenine sahiptir. Yani spesifik bir yön etrafında uzun moleküler eksenin açısal dağılımı söz konusudur. Moleküllerin ortalama olarak bir yönde yönelimi, yön vektörü ile ifade edilir. Bu yön aynı zamanda sistemin optik ekseninin yönünü de tayin eder. Aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi yön vektörü, moleküllerin uzun eksenlerinin ortalama olarak yöneldiği yönü göstermektedir. Moleküller ile yön vektörü arasındaki q açısının artması yönelim düzeninin azaldığının, azalması ise düzenin arttığının bir göstergesidir. Mükemmel bir kristalde bu q açısı sıfırdır.
Şekil Yön vektörü ile molekül arasındaki açının değişimi düzenin değişimi hakkında bilgi verir
Nematiklerin genel yapısında aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi sert iki aromatik grup, merkezi bağlantı grubu ( X ) , R ve R grupları bulunur. R ve R grupları genellikle alkil, alkol, aseloksi, nitro, amino, hidroksi, bromo, kloro, iodo gruplarından oluşur. İki aromatik grup ise genellikle benzen halkası olup, bunun yanında naftalin grubu siklohegzan, bisiklooktan, primidin de olabilir. Merkezi bağlantı grubunda ise fenil, nitron, tolan veya uygun heterosiklik bileşikler mevcuttur;
Nematiklerde aynı yönelime sahip moleküllerin oluşturduğu bölgeler birbiri üzerinden kayarak hareket etmektedirler. Bu özelliklerinden dolayı izotropik sıvılarda olduğu gibi akışkanlık özelliğine sahiptirler. Buna örnek olarak tipik sıvı kristal PAA verilebilir. PAA nın viskozitesi 0,1 Poise mertebesindedir.
Sıvı Kristal
Sıvı Kristal Moleküllerin Yapısı ve Şekilleri
Çalışmalarımızın birinde kullandığımız numune örnekleri
|
