Sıvı kristal

Sıvı kristaller, sıvıların ve katı kristallerin özellikleri arasında özelliklere sahip olan kimyasal maddelerdir. Örneğin, bir sıvı kristal (SK) bir sıvı gibi akar ama molekülleri bir kristalinki gibi yönlüdür. Çeşitli sıvı kristal fazları vardır, bunlar çiftkırılım gibi optik özellikleri ile tanımlanırlar. Polarize ışıkla mikroskop altında incelendiklerinde farklı sıvı kristal fazları farklı kristal dokular gösterir. Bunlar SK moleküllerinin farklı yönlü oldukları bölgelere karşılık gelir. Bu bölgelerin her birinde moleküller aynı doğrultuya sahiptirler. SK malzemeler her zaman sıvı kristallik göstermezler (suyun her zaman buz fazında olmaması gibi).

Sıvı kristaller termotropik, liyotropik, ve metalotropik fazlar olarak sınıflanırlar. Termotropik ve liyotropik olanlar organik moleküllerden oluşur. Termotropik sıvı kristaller, sıcaklık değişirken sıvı kristal faza bir faz değişikliği yaparlar. Liyotropik sıvı kristallerin faz değişikliği SK moleküllerin solventteki konsantrasyonuna ve sıcaklığına bağlıdır. Metalotropik SK'ler hem organik hem inorganik maddelerin karışımıdırlar; faz değişiklikleri sıcaklık ve konsantrasyonun yanı sıra inorganik-organik konsantrasyon oranına da bağlıdır.

Sıvı kristaller hem doğada hem de teknolojik uygulamalarda mevcuttur. Çoğu modern elektronik göstergeler sıvı kristallidir. Liyotropik sıvı kristaller canlı sistemlerde çok yaygındır. Örneğin hücre zarı ve bazı proteinler sıvı kristaldir. Diğer iyi bilinen SK örnekleri sabun ve deterjan köpükleri ve tütün mozaik virüsüdür.

Sıvı kristaller kabul edilen (konvensiyonel) sıvı ve katı kristalin sahip olduğu özellikler arasındaki halde bulunan bir maddedir. Örneğin, sıvı kristal bir sıvı gibi akabilir, fakat molekülleri kristalimsi bir şekilde yönlendirilebilir. Sıvı-kristal seviyelerinin çok farklı türleri vardır, ki bunlar kendi farklı optik özellikleri ile fark edilirler. Mikroskop altında polarize ışık kaynağı kullanılarak izlendiklerinde, farklı sıvı kristal seviyelerinin farklı dokulara sahip oldukları görülecektir. Dokulardaki zıt alanlar sıvı-kristal moleküllerinin farklı yönlere yönlendirildiği alanları gösterir. Yine de bir bölgecik içinde moleküller çok düzenlidir. SK (Sıvı Kristal) maddeler her zaman sıvı-kristal seviyelerde bulunmayabilir (suyun buz ya da buhara dönmesi gibi).

Sıvı kristaller termotropik, lyotropik ve metalotropik seviyerde gruplandırılabilir. Termotropik ve lyotropik sıvı kristaller organik moleküllerden oluşur. Termotropik sıvı kristaller sıcaklık değiştirildiğinde sıvı kristal seviyesine seviye geçişi gösterirler. Lyotropik sıvı kristaller hem sıcaklık hem de sıvı kristal moleküllerinin çözücü içinde (genellikle su) yoğunluğu olarak seviye geçişi gösterirler. Metalotropik kristaller hem organik hem de inorganik moleküllerden oluşur. Bunların sıvı-kristal geçişleri sadece sıcaklık ve yoğunluğa bağlı olmayıp inorganik-organik bileşim oranına da bağlıdır. Sıvı kristal örnekleri hem doğal dünyada hem de teknolojik uygulamalarda bulunabilir. En gelişmiş elektronik ekranlar sıvı kristalleri kullanırlar. Lyotropik sıvı kristal seviyeleri canlı sistemlerde bol miktarda bulunur. Örneğin, birçok protein ve hücre zarları sıvı kristaldir. Diğer iyi bilinen sıvı kristal örnekleri sabun ve çeşitli deterjanlarla ilişkili solüsyonlar olup, bunlar arasında ayrıca tütün de bulunur.

Tarihçe

Chemical structure of cholesteryl benzoate molecule

1888’de, Karl-Ferdinands Üniversitesinde çalışan Avusturyalı botanik fizyolojisti Friedrich Reinitzer kolesterik sıvı kristaller olarak bilinen maddeler sınıfına ait olan kolesterolün çeşitli türevlerinin fizyo-kimyasal özelliklerini incelemiştir. Daha önceleri ise, diğer araştırmacılar kolesterol türevlerinin donma noktasının hemen üzerinde soğutulduklarında farklı renk efektlerini gözlemlemişlerdir, fakat bunu yeni bir olgu ile bağdaştırmamışlardır. Reinitzer türev kolesteril benzoatlardaki renk değişikliklerinin en belirgin özellik olmadığının farkına varmıştır. Kolesteril benozatların diğer bileşiklerde olduğu gibi erimediğini, fakat iri erime noktası olduğunu bulmuştur. 145.5 °C (293.9 °F)’de bulutumsu bir sıvı şekline eriyerek dönüşür ve 178.5 °C (353.3 °F)’de ise tekrar erir ve bulutumsu sıvı berraklaşır. Bu olgu tersine de döndürülebilir. Bir fizikçiden yardım istemek amacıyla 14 Mart 1888 tarihinde Almanya’nın Aken kentinde üniversite öğretim üyesi Otto Lehmann’a yazar. Mektupları ve numuneleri / örnekleri aralarında değişirler. Lehmann orta seviye bulutumsu akışkanı inceler ve kristalcikler gördüğünü belirtir. Reinitzer’in Viyanalı meslekdaşı Von Zepharovich de orta seviye “akışkanın” kristalcik olduğuna işaret etmiştir. Mektupların Lehmann ile karşılıklı gönderilmesi birçok cevaplanmamış soruyla 24 Nisan’da sona erer. Reinitzer kendi sonuçlarını, Lehmann ve Von Zepharich’in katkılarından saygı ile bahsederek, Viyana Kimya Derneğinin 3 Mayıs 1888’deki toplantısında sunar. O zamana kadar, Reinitzer kolesterik sıvı kristallerin (bu isim Otto Lehmann tarafından 1904’te konulmuştur) üç önemli özelliğini bulmuş ve tanımlamıştır: iki erime noktasının varlığı, dairesel olarak polarize ışık yansıması ve ışığın polarizasyon yönünün döndürülebilirliği. Tesadüfi keşfinden sonra, Reinitzer sıvı kristaller üzerindeki çalışmalarını daha ileriye götürmemiştir. Araştırma yeni bir olgu ile karşılaştığının farkına varan ve bunu iyice araştırabilecek pozisyonunda olan Lehmann tarafından sürdürülmüştür. Post-doktora yıllarında kristalograpfi ve mikroskopi alanlarında uzmanlık kazanmıştır. Lehmann sistematik çalışmalarına ilk önce kolesteril benzoat ve daha sonra ilişkili bileşiklerden çift-erime olgusunu gösterenleri inceleyerek başlamıştır. Polarize ışıkta gözlemlerini yapabilmiştir ve mikroskopu yüksek sıcaklık gözlemlerini yapma imkanını veren sıcak bir satıh (ısıtıcı ile donatılmış numune / örnek tutucu) ile donatılmıştır. Orta seviye bulutumsu safha / seviye açıkça akışı sürdürmüştür, fakat diğer özellikler, bilhassa mikroskop altındaki bu olay Lehmann’ı bir katı ile uğraştığına ikna etmiştir. 1889 Ağustos ayının sonuna kadar sonuçlarını Zeitschrift für Physikalische Chemie’da yayımlamıştır.

Otto Lehmann

Lehmann’ın çalışması 20. yüzyılın başından 1935’te emekliliğine kadar bilinen sıvı kristallerin çoğunu sentez etmiş Alman kimyacı Daniel Vorländer tarafından sürdürülmüş ve önemli bir şekilde geliştirilmiştir. Bununla birlikte, sıvı kristaller bilim insanları arasında popüler olmamış ve madde yaklaşık 80 yıl boyunca sadece bilimsel bir merak olarak kalmıştır. İkinci Dünya Savaşından sonra, sıvı kristallerin sentez edilmesi üzerindeki çalışma Avrupa’daki üniversite araştırma laboratuvarlarında tekrar başlatılmıştır. Sıvı kristallerin önde gelen araştırmacılarından George William Gray bu maddeleri 1940’lı yılların sonlarında İngiltere’de araştırmaya başlamıştır. Grubu sıvı kristal hali göstermiş birçok yeni maddeler sentez etmiş ve bu hali gösteren moleküllerin nasıl dizayn edilebileceğinin daha iyi anlaşılmasını sağlamıştır. Moleküler Yapı ve Sıvı Kristallerin Özellikleri adlı kitabı bu konuda bir rehber kitap olmuştur. Amerikalı kimyacılardan sıvı kristalleri ilk çalışanlardan olan Glenn H. Brown 1953'te çalışmalarına Cincinnati Üniversitesinde başlamış ve daha sonra Kent State Üniversitesinde devam etmiştir. 1965 yılında sıvı kristaller hakkındaki ilk uluslararası konferansı Kent, Ohio’da dünyanın en önde gelen yaklaşık 100 bilim insanının katılımıyla düzenlemiştir. Bu konferans, bu eşsiz maddelerin pratik uygulamalarının geliştirilmesine yol açacak bu alandaki araştırmaların dünya çapında bir gayretle yürütülmesinin başlangıcı olmuştur. Sıvı kristal maddeler RCA Laboratuvarlarında 1962 yılında düz panelli elektronik ekranların geliştirilmesindeki araştırmaların konusu olmuştur. Fizik kimyacısı Richard Williams elektrik alanını 125 °C’de nematik sıvı kristalin ince bir tabakasına uyguladığında, “Bölgecik” adını verdiği (şimdi Williams Bölgecikleri olarak biliniyor) düzenli bir şeklin formasyonu gözlemlemiştir. Bu meslektaşı George H. Heilmeier’in televizyonlarda kullanılan katot ışınlı vaküm tüpün yerine kullanılabilecek sıvı kristal tabanlı düz panel ekran üzerinde araştırma yapmasını sağlamıştır. Ne yazık ki, Williams ve Heilmeier’in kullandığı para-Azoxyanisole sadece 116 °C’nin üzerinde nematik sıvı kristal hali göstermiştir, bu da bunun ticari ekran / gösterge ürünlerde kullanılmasının pratik olmadığını göstermiştir çünkü oda sıcaklığında çalışabilecek bir maddeye açıkça ihtiyaç duyuluyordu. 1966 yılında RCA’da Heilmeier grubunda araştırmacı kimyacılar olan Joel E. Goldmacher ve Joseph A. Castellano nematik bileşiklerden özellikle yapılan karışımların sadece karbon atomlarının sayılarında oda sıcaklığına sahip nematik sıvı kristaller ortaya çıkarabilen en son taraf halkalarda farklılık göstermekte olduğunu keşfetti. Schiff bazlı bileşiklerin üçlü karışımı 22–105 °C nematik aralığına sahip bir maddenin ortaya çıkması ile sonuçlandı. Oda sıcaklığında işlem ilk kullanılabilir ekranlı cihazın yapılmasını sağladı. Çalışma takımı daha sonra çoğu çok daha düşük erime noktalarına sahip nematik bileşiklerin sayısız karışımlarını hazırlamaya devam etti. Nematik bileşiklerin karıştırılması tekniği daha sonra sanayi standardı haline gelen çalışabilir sıcaklık aralığı elde etmeyi sağladı ve günümüzde spesifik uygulamaları karşılayacak maddelerin hazırlanabilmesi maksadıyla kullanılmaktadır. [File:MBBA.svg|küçükresim|Chemical structure of N-(4-Methoxybenzylidene)-4-butylaniline (MBBA) molecule] 1969 yılında, Hans Kelker oda sıcaklığında nematik safhaya sahip bir cismin sentezini sağlamayı başardı, MBBA, ki bu da sıvı kristal araştırmalarının en popüler konularından birini oluşturur. Sıvı kristal ekranların ticarileştirilmesi olan sonraki aşama George Gray tarafından düşük erime sıcaklıklı kimyasal olarak daha stabil cisimlerin (cyanobiphenyls) sentezinin yapılmasıydı. Ken Harrison ve İngiliz MOD (RRE Malvern) ile 1973’te yürüyen bu iş elektronik ürünler içinde küçük alanlı LCD’lerin hızlı benimsenmesiyle sonuçlanan yeni maddelerin dizaynına yol açtı. 1991 yılında sıvı kristal ekranların en iyi şekilde kurulduğu zamanda, Paris-Sud Üniversitesinde çalışan Pierre-Gilles de Gennes “maddenin daha kompleks şekillerine, özellikle sıvı kristaller ve polimerlere, genelleştirilebilecek basit sistemlerde sıra olgularını çalışmak üzere geliştirilen metotları keşfinden” dolayı Nobel Ödülü aldı.

Sıvı Kristal Maddelerin Dizaynı

Kimyasal bileşiklerin çoğunun bir ya da birkaç sıvı kristal safhalarını gösterdiği bilinir. Kimyasal bileşimlerinde anlamlı farklılıklara rağmen, bu moleküller kimyasal ve fiziksel özellikler bakımından bazı ortak özelliklere sahiptir. İki termotropik sıvı kristal türü vardır: diskotik ve çubuk-şekilli moleküller. Diskotikler düz diske benzeyen moleküller olup bitişik aromatik halkaların bir çekirdeğinden ibarettir. Bu iki boyutlu sütunsal sıralamaya izin verir. Çubuk şeklindeki moleküller bir alansal yön boyunca tercihe bağlı sıraya dizmeye izin veren normalden daha uzun, anizotropik geometriye sahiptirler. Moleküler şekil özellikle kesin moleküler çerçeveler içinde, nispeten ince ya da düz olması gerekir. Moleküler uzunluk en az 1.3 nm olması gerekir, ki bu da birçok oda-sıcaklıklı sıvı kristallerin üzerinde uzun alkil grubun varlığıyla tutarlıdır. Bu yapının dallandırılmaması ya da açısal olmaması gerekir. Metastabil, monotropik sıvı kristal safhalarını önleyebilmek için düşük erime noktası tercih edilir. Düşük-sıcaklıklı mezomorfik davranış genel olarak, teknolojik bakımdan daha faydalıdır ve alkil en son (terminal) gruplar bunu destekler. Uzatılmış, yapısal olarak sert, oldukça anizotropik şekil sıvı kristal davranışı için ana kriter olarak görünür ve sonuç olarak birçok sıvı kristal maddeler benzin halkalarına dayalıdır.

Sıvı Kristal Safhaları

Çeşitli sıvı kristal safhaları (mezofazlar olarak adlandırılır) sıralama türüyle karakterize edilir. Konumsal sıralama (moleküllerin sıralı ızgara / kafes türünden herhangi birinde sıralanıp sıralanmadığı) ve yönelimsel sıralama (moleküllerin çoğunlukla aynı yönü gösterip göstermediği) ayırt edilebilir ve ayrıca, sıraya dizme ya kısa-aralıklı (sadece birbirine yakın moleküllerin arasında) ya da uzun-aralıklı (daha geniş, bazen makroskopik, boyutlara uzanan) olabilir. Termotropik LC’lerin çoğu yüksek sıcaklıkta izotropik safhaya sahiptir. Bu da ısıtmanın sonuç olarak onları random ve izotropik moleküler sıralama (uzun olmayan sıralamaya nispeten küçük) ve akışkanımsı akma davranışıyla tanımlanan bilinen (konvensiyonel) sıvı safhasına götürecek olmasıdır. Diğer şartlar altında (örneğin, düşük sıcaklık), bir LC akma yeteneğine hâlâ sahipken anlamlı anizotropik yönelimli yapı ve kısa-aralıklı yönelimli sıralamalı bir ya da daha fazla aşamaların içinde bulunabilir. Sıvı kristal safhalarını sıralama moleküler ölçekte yaygındır. Bu sıra tam alan büyüklüğüne kadar uzanır, ki bu da mikrometrelerin sıralaması üzerine olabilir, fakat makroskopik ölçeğe kadar genellikle uzanmaz, sıklıkla klasik kristal katılarda meydana gelir. Ancak, sınırların kullanılması ya da uygulamalı elektrik sahası gibi bazı teknikler tek sıralı alanı makroskopik sıvı kristal numumesinde zorlamak için kullanılabilir. Sıvı kristalde sıralama sadece bir boyut boyunca, diğer iki yönde temel olarak sıralanmamış maddeyle birlikte, uzanır.

Thermotropic Sıvı Kristaller

Thermotropic fazlar belirli bir ısı aralığında meydana gelir. Eğer ısı çok yüksekse termal hareket, materyali geleneksek isotropic sıvı faza iterek LK fazının hassas işbirlikli sıralanmasına zarar verecektir. Çok düşük ısılarda ise birçok LK materyali geleneksel kristal oluşturacaktır . Birçok thermotropic LKler ısı değiştikçe farklı fazlar gösterirler. Örneğin özel bir LK molekül türü (mesogen) ısı arttıkça çeşitli smectic ve nematic (en sonunda da isotropic) fazlar sergiler. Thermotropic LK davranışı gösteren bir bileşik örneği para-azoxyanisole dir.

Nematic Faz

Alignment in a nematic phase.

Phase transition between a nematic (left) and smectic A (right) phases observed between crossed polarizers. The black color corresponds to isotropic medium.

Çok yaygın olan bir LK fazı da nematik fazdır. Nematik kelimesi Yunanca iplik anlamına gelen νήμα (nema),kelimesinden gelir. bu terim resmi olarak 'disclinations' diye adlandırılan ve nematiklerde gözlemlenen ip gibi olan topolojik kusurlardan gelir. Nematikler aynı zamanda 'hedgehog' (kirpi, dikenli) denen topolojik kusurlar gösterir. Nematik bir fazda sorun oluşturan veya çubuk şeklindeki organik moleküllerin konumsal bir sırası yoktur. Ancak kabaca paralel olan uzun aksisleri ile uzun mesafeli bir düzen oluşturmak için kendilerini ayarlarlar. Böylece moleküller akış için serbesttirler kütle pozisyonlarının merkezi, sıvıdaki gibi rastgele dağılmıştır, ancak uzun menzilli yön ve sıralarını korurlar. Nematiklerin çoğu tek aksislidir. daha uzun ve tercih edilen bir aksisleri vardır. Ancak baz LKler çift aksisli nematiklerdir. Bu şu anlama gelir: uzun aksislerini oriente etmenin yanı sıra ikincil uzun bir aksisi de oriente ederler. Nematiklerin isotrofik sıvılara benzer akışkanlıkları vardır fakat bunlar dışarıdan gelecek herhangi bir manyetik veya elektrik alanla düzenlenebilirler. Düzenlenen nematikler tek aksisli kristalllerin özelliği olan optik özelliğe sahip olurlar ve bu durum onları LCD lerde oldukça kullanışlı kılar.

Smectic Fazlar

Schematic of alignment in the smectic phases. The smectic A phase (left) has molecules organized into layers. In the smectic C phase (right), the molecules are tilted inside the layers.

Nematik fazlardan daha düşük ısılarda bulunan smectic fazlar, sabunun gösterdiği davranışına benzer olarak birbirlerinin üzerinde kayabilen iyi-tanımlanmış katmanlar oluştururlar. Smetic kelimesi Latince temizleyici ya da sabun özelliklerine sahip 'smecticus' kelimesinden gelir. Smecticler konumsal olarak bir yön üzerinde sıralanırlar. Smectic A fazında moleküller katman üzerinde normal olarak oriente edilirler. smectic C fazında ise normal yüzeye göre eğik dururlar. Bu fazlar katmanlar arasında sıvı gibidirler. Birçok farklı smectic faz vardır. Pozisyonlarına ve oryantasyonlarına göre farklı tip ve derecelerle nitelendirilirler.

Chiral Fazlar

Schematic of ordering in chiral liquid crystal phases. The chiral nematic phase (left), also called the cholesteric phase, and the smectic C* phase (right).

Chiral nematik Faz chiralite (bir elin diğer ele göre daha güçlü olması ) özelliği gösterir. Bu faz genellikle kolesterin faz olarak adlandırılır. Çünkü ilk defa kolesterol türevleri için araştırılmıştır. Sadece Chiral molekülleri (yani iç simetrik yüzeyleri olmayanlar) böyle bir fazın oluşmasını sağlayabilir. Bu faz moleküler aksisin direktöre paralel olması ve moleküllerin direktöre dikey dönme davranışı gösterir. Yakın moleküllerin sınırlı dönme açısı asimetrik gruplanmalarından kaynaklanır. Bu durum uzun menzilli chiral sıraları oluşturur. Smectic C* fazında (asteriks chiral fazı gösterir) moleküller katmanlı yapı şeklinde sıralanırlar. Normal katmana göre moleküller sınırlı bir açı ile eğim gösterir. Chiralite bir katmandan diğer bir katmana sınırlı bir azimut döngüsünü netice verir. Bu da normal katman boyunca moleküler aksisin spiral dönmesiyle sonuçlanır.

Chiral nematic phase; p refers to the chiral pitch (see text)

Chiral Pitch,p, LK moleküllerinin 360°'lik dönüş gerçekleştirme mesafesine karşılık gelir.(burada şuna dikkat etmek lazım: chiral nematik faz yapıları her yarım derecede kendini tekrar eder, bu fazda 0° and ±180° de direktörler denktir). p, ısı değiştikçe veya başka moleküller LK'ye eklendikçe eklenen molekülün uygun şekilde ayarlanmasına izin vererek değişir. Bazı likit kristal sistemlerinde pitch görülen ışığın dalga boyu ile aynı derecededir. Bu da bu sistemlerin kendine özgü Bragg yansıması veya düşük-eşikli lazer emisyonu, gibi optik özellikler göstermesini sağlar. Ayrıca bu özellikler çeşitli optik uygulamalarda kullanılmaktadır. Bragg yansımasında eğer helical axis boyunca ışık görülürse sadece düşük-sıralı yansımalara izin verilir. Buna karşın ışığın eğik görülmesi durumunda yüksek-sıralı yansımalara izin verilir. Kolesterik likit kristaller aynı zamanda helikal axiste meydana gelen dairesel polarize olmuş ışığı ve eğik olarak gelen eliptik polarize ışığı yansıtarak kendine özgü bir davranış sergiler.

Mavi Safha

Mavi LK safhası chiral nematic safha ile isotrofik sıvı safha arası ısılarda görülen sıvı kristal safhalarıdır. Mavi safhaların düzenli üç boyutlu kübik yapılarında birkaç yüz nanometrelik örgü (lattice) süreli bozunmalar vardır. Böylece kübik örgüye karşılık gelen görülebilir dalga boyu aralığında selektif Bragg kırılmaları gösterirler. Bu fazların quasicrystallere benzer icosahedral simetriye sahip olduğu 1981'de teorik olarak tahmin edilmiştir.

Mavi safhalar hızlı ışık modülatörleri ve ayarlanabilir fotonik kristallerin ilgi alanında olmasına rağmen genellikle birkaç kelvinden daha düşük olan çok düşük ısı aralığında varlık gösterirler. Son zamanlarda mavi safhaların stabilizasyonu 60K'den daha yüksek ısı aralıklarında buna oda sıcaklığını da dahil olacak şekilde (260-326 K) gözlemlenmiştir. Oda ısısında stabilize olmuş mavi safhalar 10−4 s. lik tepki süresinde elektro-optik geçişe izin verirler.

Mayıs 2008'de ilk Mavi Safha Modlu LCD panel geliştirilmiştir.

Dischotic Safha

Disk şeklindeki LK molekülleri kendilerini diskotik nematic safha olarak bilinen katman gibi bir tarzda kendilerini oriente edebilirler. Eğer diskler kendilerini demet halinde sıkıştırırlarsa (birleştirilerse) bu safhaya discotic sütun denir. Sütunlar dikdörtgen veya hexagonal şekilde kendilerini düzenleyebilirler. Chiral nematic safhaya benzer chiral discotic safhalarda vardır.

Lyotrophic Sıvı Kristaller

Structure of lyotropic liquid crystal. The red heads of surfactant molecules are in contact with water, whereas the tails are immersed in oil (blue): bilayer (left) and micelle (right).

Bir Lyotrophic Sıvı Kristal çeşitli konsantrasyon aralıklarında likit kristalin özelliklerini gösteren iki veya daha çok bileşen içerir. Lyotrophic safhalarda solvent molekülleri sisteme akışkanlık sağlayabilmek için bileşenlerin etrafındaki boşlukları doldururlar.[30] Thermotropic likit kristallerin aksine bu lyotropiclerin çeşitli değişik safhaları tetikleyecek konsantrasyon serbestiyetine sahip dereceleri vardır.

Aynı molekül içerisinde iki tane birbirine karışmayan hydrophilic ve hydrophobic kısımları olan bir bileşiğe amphiphilic molekül denir. Birçok amphiphilic molekül hydrophilic ve hydrophobic bölümler arasındaki hacim dengesine dayanan lyotrophic likit kristalin safhasının dizilişini gösterirler. Bu yapılar nanometrik ölçütte birbiri ile uyuşmayan iki bileşenin mikro-safhada ayrışmasıyla oluşur. Sabun lyotrophic likit kristalin günlük yaşamımızdaki bir örneğidir.

Suyun veya diğer çözücü moleküllerin içeriği kendi kendine bir araya gelmiş yapıları değiştirir. Çok düşük amphiphile konsantrasyonlarda moleküller herhangi bir sıraya girmeden rastgele dağılacaklardır. Biraz daha yüksek (ama yine de düşük) konsantrasyonda amphiphilic moleküller spontane bir şekilde micelles veya vesicles le birleşeceklerdir. Bu durum micelle merkezinin içindeki amphiplilenin hydrophohic uzantısını saklamak için sulu solüsyona hydrophilic (suda çözünebilir) bir yüzey açığa çıkartarak gerçekleştirilir. Bu yuvarlak nesneler solüsyonda kendilerini sıralamazlar.

Bu küresel nesneler kendilerini solüsyon içerisinde sıraya sokmazlar. Daha yüksek konsantrasyonlarda birleşmeler sıralı olacaktır. Tipik bir faz da hexagon sütunlu fazdır. Bu fazda amphiphiller kendilerini kabaca heksagon bir örgüye göre ayarlayan uzun silindirler oluştururlar. Buna orta sabun fazı denir. Daha yüksek konsantrasyonlarda lamellar faz (düzgün sabun fazı) oluşabilir. Burada uzanan amphiple yaprakları ince su katmanlarıyla ayrılırlar. Bazı sistemler için heksagonal ve lamellar fazlar arasında kübik (aynı zamanda viskoz isotrofik denen) bir faz oluşabilir. Burada yoğun kübik örgüler oluşturan küreler oluşur. Bu küreler çiftli devam eden kübik faz oluşturarak birbirlerine bağlanabilir. Amphiphiller tarafından oluşturulan nesneler çoğunlukla küreseldir.(micelleler için olduğu gibi) ancak disk gibi (biceller gibi), çubuk gibi veya çift axial olabilirler. Bu kendi kendine oluşan anizotropik nano yapılar thermotrofik fazların geniş ölçekli versiyonlarını oluşturarak kendilerini thermotrofik sıvı kristaller gibi sıralayabilirler. (Tıpkı nematik fazdaki çubuk şeklindeki miceller gibi) Bazı sistemler içinse yüksek konsantrasyonlarda ters fazlar gözlenir. Yani bir tanesi ters heksagonal sütun fazı (amphipliller tarafından tutulan su sütunları) veya ters micellar faz.

Düşükten yüksek amphiphil konsantrasyona doğru kapsamlı bir ilerleme safhası şu şekildedir:

Devamı olmayan kübik faz(micellar kübik faz) Hexagonal faz (Hexagonal sütun fazı) (orta faz) Lamellar Faz Çiftli devam eden kübik faz Ters hexagonal sütun fazı Terz kubik faz (Ters micellar faz)

Aynı fazlar içinde bile kendi kendine bir araya gelen yapılar, konsantrasyon tarafından ayarlanabilir. Örneğin lamellar fazda solvent hacminin artması ile birlikte katman mesafeleri artar. Lyotropic likit kristaller hassas bir moleküller arası etkileşim dengesine bağlı olduğu için thermotropic likit kristallere nazaran bunların yapılarını ve özelliklerini analiz etmek daha zordur.

Benzer fazlar ve özellikler immiscible diblock copolymerlerde gözlemlenebilir.

Metallotropic Likit Kristaller

Likit kristal fazları bağlantılı tetrahedra yapısından oluşan ve kolayca cam oluşturabilin ZnCl2 gibi düşük sıcaklıkta eriyen inorganik fazlara bağlı olabilir. Uzun zincirli sabun gibi moleküllerin eklenmesi, hem inorganik-organik bileşen oranı hem de ısıya göre farklılık gösteren likit kristal davranışları, yeni fazların oluşmasına yol açar. Bu materyal sınıflarına metalotropic adı verilir.

Mezofazların Laboratuvar Analizleri

Thermotropic mezofazlar iki ana yöntemle belirlenir ve özelliklendirilirler. Orijinal yöntem termal optik mikroskop kullanımıdır. Burada materyal birbirine çapraz polarize arasına yerleştirilir sonra numune ısıtılıp soğutulur. İsotropic faz ışığın polarize olmasını önemli derecede etkilemediği için çok karanlık gözükür. Ancak kristal ve likit kristal fazlarının ikisi de ışığı aynı şekilde polarize edecektir. bu da parlaklığa ve renk derecelenmesine yol açacaktır. Bu yöntem herhangi özel bir fazın özelliklerini belirlemeye izin verir. Çünkü farklı fazlar kendilerine özgü sıralamalara sahiptir.

İkinci yöntem Diferansiyel Tarama Kalorimetresidir. Differential Scanning Calorimetry (DSC). Bu yöntem faz geçiş ve faz entalpilerinde daha kesin sonuçlar verir. Bu yöntemde küçük bir numune zamana nazaran ısıda kesin değişiklik oluşturacak kadar ısıtılır. Faz geçişlerinde ısıtmayı veya soğutmayı sağlayan ısı akış oranı değişiklik gösterecektir. Bu değişiklikler, gözlemlenebilir; ayrıca temel sıvı kristal geçişi gibi farklı faz geçişlerine atfedilebilir.

Lyotropic mezofazlar aynı deneylerle fakat daha karışık bir yolla analiz edilir. Çünkü mezogenin konsantrasyonu burada anahtar faktördür. Etkiyi analiz edebilmek için deney farklı mezogen konsantrasyonlarında gerçekleştirilir.

Biyolojik Likit Kristalleri

Lyotropic likit kristalin fazları, yaşayan sistemlerde lipid polimorfizm diye atfedilen çalışmaya göre odukça fazladır. Benzer şekilde Lyotropic likit kristalleri biomimetik kimya alanında özel ilgi çeker. Özellikle biyolojik membranlar ve hücre membranları likit kristalin bir formudur. Onları oluşturan moleküller (ör:phospholipidler) membran yüzeyine diktir ancak membran yine de esnektir. Bu lipidler şeklen farklılık gösterirler. (lipid polymorphism ile ilgili sayfaya bakınız.) Molekül bileşenleri sınırsızdırlar ancak sürecin yüksek enerjiye ihtiyaç duymasından dolayı membrandan ayrılma eğilimi göstermezler. Lipid moleküller membranın bir tarafından diğer tarafına dönerler. Bu süreç flippasler ve floppaslerce (hareketin yönüne bağlı olarak) katalize edilir. Bu likit kristal membran fazları, içeride veya kısmen membran dışındaki CCT gibi serbestçe gezinen reseptörler benzeri önemli proteinlere ev sahipliği ederler.

Birçok biyolojik yapı likit kristal davranışı gösterir. Örneğin ipek ağ oluşturmak için bir örümceğin konstantre protein solüsyonu çıkarması gerçekte bir likit kristal fazdır. Ağdaki moleküllerin katı bir şekilde sıralanması örümcek ağının bilinen gücü için kritik bir noktadır. DNA ve birçok polipeptidler de LK fazları oluşturabilirler. Bu da halihazırdaki birçok akademik araştırmanın önemli bir bölümünü oluşturur.

Likit Kristallerde Patern Oluşumu

Likit kristallerin anizotropisi diğer sıvılarda görülmeyen bir özelliktir. Bu anizotropi likit kristallerin akışını diğer sıvıların akışından farklı kılar. Örneğin birbirine paralel iki levha arasında likit kristal akışı enjekte etmek molekül oryantasyonlarının akışla birlikte çiftleşmesine neden olarak dendritik paternlerin oluşumunu sağlar.[32] Bu anizotrofi farklı likit kristal fazları arasındaki yüzey geriliminde de görülür.Bu anizotrofi ortak varoluş ısısındaki denge şeklini belirler ve o kadar güçlüdür ki yüzeyler görülür. Isı değiştiğinde fazların biri büyüyerek ısı değişimine bağlı farklı yapılar oluşturur. Büyüme ısı difüzyonu ile kontrol edildiği için termal iletkenlikteki anizotrofi büyümeyi kendine özgü yönde destekler, bu da nihai şeklin nasıl olacağını etkiler.

Likit Kristalin Teorik Olarak İşlenişi

Sıvı fazların teoride mikroskobik ele alınışı karmaşık hal alabilir. Çünkü yüksek materyal yoğunluğu güçlü etkileşimler anlamına gelmektedir. Bu etkileşimlerdeki anizotropi likit kristaller açısından analizleri güçleştirir. Birkaç basit teori vardır ancak bunlar likit kristal sistemlerdeki faz geçiş davranışlarını genel olarak tahmin eder.

Direktör

Daha önce yukarıda da gördüğümüz gibi, nematik sıvı kristaller, bitişik moleküllerin uzun ekseninin birbiriyle hizalandığı çubuk gibi moleküllerden oluşmaktadır. Bu anizotropik yapının oluşması için, herhangi bir noktaya yakın moleküllerin tercih edilen kaynağının yönünü temsil eden direktör diye adlandırılan n boyutsuz birim vektörü devreye sokulur. Direktör ekseni boyunca fiziksel polarite bulunmadığından, n ve –n tamamen eşdeğerdir. Düzen katsayısı Sıvı kristallerin tanımlanması için düzen analizi gerekir. Nematik sıvı kristalin yönelimsel düzenini betimlemek için ikinci sıra simetrik izsiz tensör düzen parametresi kullanılır. Gerçi tek eksenli nematik sıvı kristallerin tanımlanmasında ölçeksel düzen parametresi genelde yeterlidir. Bunu kantatif yapmak için ikinci Legendre polinomunun ortalamasına bağlı olarak bir yönelimsel düzen parametresi tanımlanır.

S=\langle P_{2}(\cos \theta )\rangle =\left\langle {\frac {3\cos ^{2}\theta -1}{2}}\right\rangle

θ sıvı kristal moleküler eksen ile lokal eksen arasındaki açıdır. Parantezler hem geçici hem de uzamsal ortalamayı göstermektedir. Bu tanım, rastgele ve izotropik bir örneklem için S=0 olduğundan (tam hizalı bir örneklem için S=1 olmalıdır) uygun bir tanımdır. Tipik bir sıvı kristal örneklem için S, 0.3-0.8 düzeni üzerindedir ve ısı arttıkça genellikle azalır. Özellikle düzen parametresinin keskin bir biçimde 0’a düşmesi, sistemin LC aşamasından izotropik evreye geçtiğinde görülür. Bir sıvı kristalin düzeni diğer çift Legendre polinomlar kullanılarak da anlatılabilir (bütün tek polinomların ortalaması sıfırdır çünkü direktör iki anti paralel yönlerin herhangi birini gösterebilir). Bu yüksek dereceli ortalamaları ölçmek zordur, fakat moleküler sıralamayla ilgili ilave bilgiler verebilir. Konumsal düzen parametresi bir sıvı kristalin sıralanmasını tanımlamak için de kullanılabilir. Bir vektör üzerinde bulunan sıvı kristal molekül kütlesini merkezindeki yoğunluğun varyasyonu ile tanımlanır. Z ekseni üzerindeki konumsal varyasyon örneğinde yoğunluk p(z) şu şekilde gösterilir:

\rho (\mathbf {r} )=\rho (z)=\rho _{0}+\rho _{1}\cos \left(q_{s}z-\phi \right)+\cdots \,

Karmaşık konumsal düzen parametresi $\psi (\mathbf {r} )=\rho _{1}(\mathbf {r} )e^{i\phi (\mathbf {r} )}$ and $\rho _{0}$ ve ortalama bir yoğunluk olarak betimlenir. Tipik olarak ilk iki terim korunur ve yüksek dereceli terimler p0 göz ardı edilir çünkü pek çok evre sinusoidal işlevler kullanılarak da tanımlanabilir. Tam bir $\psi =0$ nematik için ve $\psi$ likit kristal evre için karmaşık değerler taşıyacaktır. Bu düzen parametresinin karmaşık doğası, nematikten likit kristal evreye ve iletkenden süper iletkene geçişlerde pek çok paralellikler sağlar. Onsager sert çubuk modeli Lars Onsager tarafından önerilen sert çubuk modeli, Liyotropik evre geçişlerini tahmin eden basit bir modeldir. Bu teori, bir ideal silindirin kütle merkezinin dışında tutulan hacmi ele alır. Özellikle silindirler birbirine paralel bir şekilde yönlendirilirse, yaklaşan silindirin kütle merkezinin dışında tutulan çok az bir hacim vardır. Bununla birlikte, eğer silindirlerin birinin diğerine bir aşısı söz konusu ise, o zaman yaklaşan silindirin kütle merkezinin giremeyeceği silindirin etrafında büyük bir hacim vardır (iki idealleştirilmiş nesne arasındaki sert çubuk geri tepmesinden dolayı). Böylece, bu açısal düzenleme yaklaşan silindirin net konumsal entropisi içerisinde bir azalma demektir. Buradaki temel anlayış şudur: Antizotropik nesnelerin paralel düzenlemesi yönelimsel entropide azalmalaya sebep olurken, konumsal entropide ise bir artış vardır. Böylece, bazı durumlarda daha büyük konumsal düzen entropik olarak tercih edilecektir. Bu teori, çubuk şekilli nesnelerin çözümünün faz geçişine gireceğini belirtir. Bu model kavramsal olarak işe yarasa da, matematik formülasyonu gerçek sistemlerde uygulanmasını sınırlayan birkaç varsayımda bulunur. Maier-Saupe ortalama alan kuramı Alfred Saupe ve Wilhelm Maier tarafından önerilen bu istatistiksel teori, bitişik sıvı kristal molekülleri arasındaki eyletik çiftucay döngüsünün moleküller arası potansiyelinden yararlanmıştır. Antizotropik çekim, yakın moleküllerin paralel hizalanmasını sabitler ve teori daha sonra etkileşimin ortalama alan değerini kullanır. Tutarlı bir çözüme sahip olan bu teori, deneyle de sabit, termotropik nematik-izotropik evre geçişlerini belirler.

McMillan modeli

William McMillan tarafından önerilen bu model, bir sıvı kristalin nematikten smektik A fazına geçişini tanımlayan Maier-Saupe ortalama alan kuramının kapsamlı halidir. Faz geçişinin, moleküller arasındaki kısa vadeli etkileşimin gücüne bağlı olarak sürekli mi yoksa kesintili mi olacağını tahmin eder. Sonuç olarak, nematik, izotropik ve smektik A fazlarının birleştiği üçlü bir kritik nokta sağlar. Üçlü bir kritik noktanın varlığını tahmin etmesine rağmen, değerini tam olarak tahmin edemez. Bu model, sıvı kristalin yönelimsel ve konumsal düzenini betimleyen iki düzen parametresini kullanır. İlki, ikinci Legendre polinomudur ve ikinci düzen parametresi de şu şekilde anlatılır:

\sigma =\left\langle \cos \left({\frac {2\pi z_{i}}{d}}\right)\left({\frac {3}{2}}\cos ^{2}\theta _{i}-{\frac {1}{2}}\right)\right\rangle

zi, θi ve d molekülün konumu, moleküler eksen ile direktör arasındaki açı ve katman boşluğudur. Tek bir molekülün potansiyel enerjisi aşağıdaki gibi gösterilir:

U_{i}(\theta _{i},z_{i})=-U_{0}\left(S+\alpha \sigma \cos \left({\frac {2\pi z_{i}}{d}}\right)\right)\left({\frac {3}{2}}\cos ^{2}\theta _{i}-{\frac {1}{2}}\right)

Burada sabit α bitişik moleküller arasındaki etkileşimin gücünü nitelendirir. Daha sonra potansiyel, termal denge varsayımıyla sistemin termodinamik özelliklerini elde etmek için kullanılır. Sonuç, sayısal olarak çözülmesi gereken iki denklemdir ve bunların çözümü sıvı kristalin üç sabit evresidir.

Kaynakça

İngilizce vikipedi