Sıvı kristal (LC), üç boyuylu kristal yapı olmaksızın, anizotropi
özellikleriyle karakterize edilebilen termodimik kararlı bir fazdır; katı ve
izotropik sıvı faz arasındaki sıcaklık aralğında yer alan mezofazdır. Sıvı kristaller çeşitli şekillerde
sınıflandırılabilir; örneğin, aşağıdaki gibi sınıflandırma yapılabilir.
Sıvı Kristal Polimer (LCP): Uygun sıcaklık basınç ve
konsantrasyonda sıvı kristal mezofaz olarak bulunabilen polimerik malzemedir.
Veya, mezogen birimler içeren, dolayısıyla sıvı kristal özellikler gösteren
polimerdir.
Sıvı Kristal Görüntüleme (LCD): Sıvı kristallerin
ışık modülasyon özelliklerinin kulanıldığı düz panel, elektronik, veya video
gürüntileme tekniğidir. Sıvı kristaller ışığı doğrudan yayımlamazlar.
Sıvı Kristal Elastomer (LCE): Sıvı kristal yapılı
uzun, çapraz bağlı polimer zincirlerinin bulunduğu kauçuksu ağ yapılı
malzemedir. Elastomer, çapraz bağlar içeren ve kauçuk özellikler gösteren bir
polimer sınıfıdır; uygulanan gerilim kaldırıldığında orijinal şekline dönerler.
Tanımlar
Sıvı Kristal Polimer (LCP):
·
Ana Zincir Sıvı Kristal Polimer: Mezogenik
birimlerin sadece ana zincirlerinde bulunduğu polimerdir.
·
Yan Grup Sıvı Kristal Polimer: Mezogenik
birimlerin sadece yan zincirlerinde bulunduğu polimerdir.
·
Spacer (Aralayıcı): Ana zincir sıvı
kristal polimer moleküllerinde birbirini takip eden mezogenik birimleri
birbirine bağlayan; veya, yan grup sıvı kristal polimerlerde polimer iskeleti
üzerindeki mezogenik birimleri birleştiren esnek bir segmenttir.
·
Disruptor (Bozucu): Ana zincir sıvı
kristal polimer molekülleri iskeletinin doğrusal yapısını bozmak için
kullanılan kimyasal bir gruptur.
·
Kombine Sıvı Kristal Polimer: Mezogenik
grupların hem ana zincirde ve hem de yan zincirde yer aldığı makromoleküller
içeren sıvı kristal polimerdir.
·
Sert Zincir: Mezogenik grupların doğrudan
birbirine bağlı olduğu çubuk şeklindeki ana zincir sıvı kristal polimerdir;
persistence (sürekli kısım) uzunluğu, kontür (toplam) uzunlukla kıyaslanabilir
seviyelerdedir.
·
Yarı Sert Zincir: Kontür (toplam)
uzunluğun persistence (sürekli kısım) uzunluktan daha büyük olduğu bir
polimerik zincirdir.
Mezomorfik Hal: Moleküler düzen derecesi, katı
kristallerdeki mükemmel üç boyutlu düzenlenme ile, düzensiz yapılardaki
(izotropik sıvılar, gazlar ve amorf katılar) maddeler arasında olan bir haldir.
Mezofaz: Mezomorfik hal içinde, belirli bir sıcaklık,
basınç ve konsantrasyonun üzerinde, meydana gelen fazdır:
·
Enantiyotropik Mezofaz: Belirli bir
sıcaklık veya basınç aralığında termodinamik olarak kararlı olan mezofazdır.
·
Termotropik Mezofaz: Bir katının
ısıtılması veya bir izotropik sıvının soğutulmasıyla; veya, termodinamik olarak
kararlı bir mezofazın ısıtılması veya soğutulmasıyla oluşan mezofazdır.
·
Liyotropik Mezofaz: Uygun sıcaklık,
basınç ve konsantrasyonda, amfiphilik bir mezogenin uygun bir solventte
çözülmesiyle oluşan mezofazdır.
·
Ampitropik Bileşik: Liyotropik mezofazlar
kadar termotropik olarak da bulunabilen bir bileşiktir.
·
Monotropik Mezofaz: İzotropik bir sıvının
aşırı soğutulmasıyla meydana gelen yarı kararlı bir mezofazdır; veya, belirli
bir basınçta, kristalin erime noktasının altındaki bir sıcaklıktaki
enantiyotropik mezofazdır.
Mezogen: Uygun sıcaklık, basınç ve konsantrasyonda,
mezofaz olarak veya sıvı kristal faz olarak bulunabilen bileşiktir. Mezofazın
oluşumunda etkili olan itme ve çekme kuvvetlerinde yeterli anizotropiye sahip
olan grup ‘mezogenik grup’ olarak tanımlanır:
- Ampifilik Mezogen: Hidrofilik ve hidrofobik, veya
lipofibik ve lipofilik gibi zıt iki molekülden oluşan bir mezogendir.
- Nonampifilik Mezogen: Ampifilik tipte olmayan mezogenlerdir;
kalamitik, diskotik, piramitik, sanidik, döner-uçlu, yan-zincirli, banana
mezogenler, ve sıvı kristal oligomer
- Metallomezogen: Bir veya daha fazla metal atomu içeren
bir mezogen
Sıvı Kristal
Polimerler (LCP)
Sıvı kristal plimer, uygun sıcaklık, basınç ve
konsantrasyonda sıvı kristal mezofaz olarak bulunabilen (çözelti içindeyken
kristal halde dizilebilen), veya, ergimiş halde kristal düzende
sıralanabilen makromoleküllerdir. Bu tür
sıvılar anizotropik davranış gösterirler; bunlardaki düzenli bölgelere
‘mezofazlar’ denir.
Moleküler sertlik (veya esnemezlik) sıvı kristal davranışın
başlıca nedenidir. Bir molekülün sıvı kristal özellik gösterebilmesi için
moleküler anizotropiye sahip olması gerekir. Bazı biyolojik polimerler sert
heliks konformasyonları nedeniyle sıvı kristal özelliktedirler. Sentetik
polimerlerden de sert çubuk şeklinde olanlar sıvı kristal davranışları
gösterir; teorik çalışmalara göre, bu tip sentetik polimerlerde moleküler
uzunluğun moleküler çapa oranının altıdan büyük olması gerekir. Diğer bazı
anizotropik moleküler şekiller de (disk gibi) sıvı kristal özellik
gösterebilirler, ancak bunlar sayıca çok azdır.
Moleküllerin sert çubuklar şeklinde olabilmesi polimerlerin
kimyasal yapısına bağlıdır. Polimerin iskeleti sert, yani esnek olmayan bir
yapıdaysa, ‘ana zinciri sıvı kristaller’ meydana gelir (mezogenik birimler
polimerin sadece ana zincirlerinde bulunur). Polimerin yan zincirleri sertse,
‘yan zincir sıvı kristaller’ oluşur (mezogenik birimler sadece yan zincirlerde
bulunur). Pratikte, her iki durum da polimerin önemli özeliklerini oluşturur.
Sıvı kristal polimerlerin çoğu, metallerin, seramiklerin,
v.s., yerini almış olan yüksek performanslı fiberlerdir.
Sıvı Kristal
Polimerlerin Fazları
Sıvı kristal polimerlerin fazları arasındaki farkı anlamak
için bir sıvı kristal biriminin temel bileşenlerinin açıklanması gerekir. Sıvı
kristal polimerin sert kısmına “mezogen” denir.
Mezogenler, polimerin yapısına göre çeşitli şekillerde
olabilir; örneğin, çubuk-şeklinde veya disk-şeklindeki mezgenlere bakalım:
Çubuk-şeklindeki mezogenler, aynı eksen boyunca yerleşmiş
iki veya daha fazla aromatik gruptan oluşur (Şekil-a ve b). Disk-şeklindeki
mezogenlerde bir aromatik grup, diğerinin üstünde (aynı eksende) yerleşmiştir
(Şekil-c); oluşan şekil bir disk görünümündedir.
Tipik bazı termotropik mezogenler;
(a), (b) çubuk-şeklinde, (c) klasik disk-tip (diskotik)
Bu mezogenler, uygun sıcaklık, basınç ve konsantrasyonlarda
mezofazlar halinde bulunurlar. Mezogenler sert aromatik gruplardan meydana
geldiğinden, bunların “daha esnek” olabilmesi için her bir mezogeni diğerinden
ayırabilecek bir “spacer (aralayıcı) gerekir. Bu iki yapının bir araya gelmesi
çeşitli sıvı kristal fazların meydana gelmesini sağlar.
İki çubuk tip sıvı kristal düzenlenmeden söz edilebilir:
smektik ve nematik. Bunların her ikisi de uzun moleküler eksenlere paraleldir.
Mikroskopik çalışmalar bu iki sıvı kristal şeklinin açıklanmasında önemli bir
yardımcı olmuştur.
Nematik fazda tüm mezofazlar en düşük düzenlenme
derecesindedir.; aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi, mezogenlerin eksenleri,
hareketlerine paralel bir konumdadırlar. Bu durum sıvı faza benzer;
2-boyutludur, dolayısıyla tüm hareketlilikler aynı düzlemdedir. Tek bir yön
vardır, fakat her bir mezogenin kendine özgü bazı hareketleri yapmasına da olanak
tanınır (Şekil-a).
Mezogenlerin moleküler
düzenlenmeleri: (a) nematik bir fazda, (b) bir smektik-A fazda, (c) bir smektik-C
fazda
Sıvı kristalde bulunan diğer bir faz, katı faza benzeyen
smektik fazdır; mezogenlerin uzun eksenleri, 2-boyutlu bir mezogen tabakası
oluşturacak şekilde birbirlerine paralel olarak yerleşmiştir. Ayrıca, her
tabaka 3-boyutlu bir düzenlenme içinde birbirine yanaşmıştır. Bu durumda
mezogenlerin kendi tabakalarındaki hareketlilikleri ve diğer tabakalarla
doğrudan etkileşimleri engellenmiş olsa da moleküller, faz içindeki aynı genel
bir yönde sıralanabilirler. Smektik faz, termofazlar arasınsa en düzenli olan
faz tipidir; polimerin katı faza geçmeden önceki bulunduğu düzenlenme şeklidir
(Şekil-b ve c).
Sıvı Kristal Polimer
Tipleri
Sıvı kristal polimerler iki grupta toplanabilir; termotropik
ve liyotropik.
Termotropik sıvı kristal polimerler, çeşitli sıvı kristal
fazların bazı sıcaklık aralıklarında oluştuğu polimerlerdir; polimer camsı
geçiş noktasının (veya ergime noktasının) üzerinde bir sıcaklığa kadar
ısıtılır. Örneğin, aromatik bir kopoliesterler olan poli(p-hidroksibenzoik asit
etilen tereftalat), bir termotropik sıvı kristal polimerdir:
Poli(p-hidroksibenzoik asit etilen tereftalat):
Termotropik tip bir sıvı kristal
polimer üretimi blok diyagram
Liyotropik sıvı kristal polimerler solventlerle temas
ettirildiklerinde sıvı kristal faz meydana getirirler. Aşağıda verilen
örnekteki aromatik poliamid kuvvetli bir asit (H2SO4)
içinde esnek bağları olan mezogenler meydana getirirler, sıvı kristaller
oluşturur ve fiber olarak ekstrud edilebilir. Polimerin sertliği nedeniyle bu
tür bir oluşum smektik bir sıvı kristaldir. Solventi uzaklaştırılan fiber çok
düzenli bir yapıya sahiptir; fevkalade yüksek mekanik özelliklere sahip bir
malzemedir.
Poli(p-fenilen
tereftalamid):
Liyotropik tip bir sıvı kristal
polimer üretimi blok diyagramı
Ana zincirde mezojenlerin yer aldığı sıvı kristal
polimerlere bir örnek aşağıda gösterilmiştir. Bu tür maddeler nematik fazda
çift eksenli bir dalgalanma gösterirler.
Mezomorfik özellikler içeren polimetakrilat sıvı kristal
polimerlerin sentezi de yapılabilmektedir. Bunlar iki esnek zincirli
ferrosenler içeirler. Dilatometrik çalışmalar monomerik birimlerin smektik
fazda baş-kuyruk moleküler düzenlenmede yerleştiğini göstermiştir. Ferrosenin
elektrokimyasal özellikleri nedeniyle bu tür maddeler elektronegatif mezomorfik
polimerlerin geliştirilmesinde önemli türlerdir. Polimerin yapısı aşağıdaki
şema ile gösterilebilir.
Sıvı Kristal
Görüntüleme (LCD)
Bir LCD’nin her pikseli, iki geçirgen elektrot ve iki
polarize edici filtre arasında dizili br moleküller tabakasından oluşur;
geçirgenlik eksenleri, çoğu kez, birbirlerine diktir. Polarizasyon filtreleri
arasında bulunan sıvı kristal ile, birinci filtreden geçen ışık ikinci
polarizer tarafında bloke edilir.
Sıvı kristal malzemeyle temas halinde olan elektrotların
yüzeyi, sıvı kristal moleküllerin bir yönde dizilebilecekleri şekilde özel bir
işlemle hazırlanır. Elektrotlar, geçirgen iletken indiyum kalay oksittir (ITO).
LCD, doğası nedeniyle pasif bir malzemedir, basit bir ışık valfıdır. Görüntünün
kontrol ve yönetimi LCD-Drivers olarak tanımlanan bir veya daha fazla devreyle
yapılır.
Bir elektrik alanı uygulanmadan önce sıvı kristal
moleküllerin dizilişleri elektrotların yüzeyi tarafından belirlenmiştir. Halen
en iyi bilinen sıvı kristal olan bükülü (twisted) nematik malzemede, iki
elektrottaki yüzey yerleşim yönleri birbirine dik olduğundan moleküller
birbirleriyle bir heliks yapıda veya bükülü (twist) bir yapıda olacak şekilde
düzenlenmişlerdir. Bu durum gelen ışığın polarizasyon dönmesini etkileyerek gri
renk oluşmasına sebep olur. Uygulanan voltajın yeteri kadar büyük olması
halinde, tabakanın ortasındaki sıvı kristal moleküller tamamen bükülmemiş halde
kalır ve sıvı kristal tabakadan geçerken ışığın polarizasyonu dönmez. Bu ışık
daha sonra, ikinci filtreye dik olarak tümüyle polarize olur, böylece bloke
edilir ve piksel siyah renk alır. Her pikseldeki sıvı kristal tabakaya
uygulanan voltaj kontrol edildiğinde, geçen ışık miktarı ayarlanarak değişik
renk tonlarının elde edilmesi sağlanır.
Sıvı Kristal
Elastomerler (LCE)
Sıvı kristal elastomerler, anizotropik sıvı kristal (nematik,
kolesterik veya smektik) ile kauçuğun bir kombinasyonudur; bu durumda
oryantasyonel sıralanma ve mekanik gerilme-gevşeme özellikleri istenildiği gibi
geliştirilebilir. Oryantasyon, mekanik gerilme veya çapraz bağlanmayla
düzenlenir. Sıvı kristal polimerlerde faz değişikliğinin gerçekleşmesi için
termal veya elektrostatik enerji uygulanır.
Polimerik ağ yapısıyla, sıvı kristal mezogenlerin
oryantasyonal düzendeki birleşmeleri izotropik faz geçiş sıcaklığına kadar
kararlıdır. Sıvı kristal izotropik faz geçiş sıcaklığında, sıvı kristal ağ
yapısı izotropik hale geçer ve geleneksel kauçuk gibi davranır; yani, tüm ağ yapısının
boyutlarında gerekl değişiklikler meydana gelir. Ancak, oryantasyon düzeni ve
sıvı kristal bileşiğin anizotropik yapısı nedeniyle ağ yapı, yönlenme ekseni
boyunca kasılır. Nematik yan zincir sıvı kristal elastomerler için uzunluktaki
değişim %40, ana zincir sıvı kristal elastomerlerde ise %500 dolayındadır.
Kasılma hızı malzeme taransportuna değil, ağ yapısının termal ısıl iletkenliğine
bağlıdır (Şekil-a).
Sıvı kristal moleküller faz geçişi sırasında hareketlenip
yeniden düzenlenirken mekanik bir gerilme ve gevşeme meydana gelir, gerilme
bölgeleri, statik kuvvetlerin toplanmasını engeller. Sıvı kristal
elastomerlerde ise, sıvı kristaller (mezogenler) polimere çapraz bağla
bağlandığından serbest hareketleri engellenir; ancak, esnek polimer iskeleti yine
de, mezogenlerin yeniden düzenlenmelerine izin verir (Şekil-a).
Sıcaklık değişimiyle, veya elektrik alanı uygulanmasıyla
meydana gelen mezogenlerin düzenindeki değişim, gerilmeler ve gevşemeler
yaratır ve polimer iskelet yapı tarafından mekanik iş olarak transfer edilir. Ferroelektrik
sıvı kristaller bir dış elektrik alanı uygulandığında büzüler ve genişler,
mezogenik birimlerin yerleşimleri değişir (Şekil-b). Yeniden düzenlenme
sistemde gerilme ve gevşemelere sebep olur.
Ferroelektrik
sıvı kristal elastomer; polimer iskeleti (yeşil kare) siloksan, ve mezogenler
(pembe, oval)
LCE ÖRNEKLER
Vinil mezogenin metilhidrosiloksan polimeriyle,
hidrosilasyon reaksiyonu yoluyla elde edilmiş olan (a) ana zincir LCE, (b) yan
zincir LCE
Uygulama Alanları
Sıvı kristal polimerler (LCP) aromatik polyesterlerdir; son
derece kararlıdırlar, reaksiyona girmezler ve yanmaya karşı dirençlidirler.
Gerilme kuvveti ve modülü, dielektrik kuvveti yüksektir, kimyasal maddelere ve
aşınmaya dirençlidir, nem absorbsiyonu çok düşüktür.
LCP, mikrodalga frekansa karşı etkindir, yiyecek kapları,
düz ekran televizyonlar, kol saati, digital saatler, laptop ekranları,
mikroelektromekanik sistemler gibi. Çok iyi sterilize edilebildiğinden tıpta
çeşitli amaçlarla, termometrelerde v.s.de kullanılır. Otomotiv sektöründe, elektrik
malzemeleri ve mekanik parçalar üretiminde, yiyecek paketlemede, yüksek
kuvvetler ve kimyasal direnç gerektiren malzemeler üretiminde kullanılmaktadır.
Sıvı kristal görüntülemelerin (LCD) geniş bir kullanım alanı
vardır; bilgisayar monitörleri televizyonlar, enstrüman panelleri, uçak kokpit
görüntüleri, tabelalar gibi. Tüketici malzemeleri arasında video oynatıcılar,
oyun aletleri, saatler, hesap makineleri, telefonlar önemli kullanım
alanlarıdır. LCD, enerji yönünden CRT’den (katot ışını tüpü) daha verimlidir,
daha az elektrik tüketir.
Sıvı kristal elastomerler (LCE) yüksek termoelastik
özelliklere sahiptir; bu özellikleri nedeniyle tıpta çeşitli amaçlarla kullanılırlar,
örneğin yapay kas uygulamaları gibi. LCE’ler dar bir sıcaklık aralığında yüksek
gevşeme özelliği gösterirler. Polimerik maddeye ve yapıya göre yumuşak veya
yarı yumuşak elastik yapıda olabilirler. Liyotropik sıvı kristaller
sıkıştırmayla izotropik yapılanmadan nematik duruma geçerler. LCE’lerden
liyotropik nematik jeller, karbon nanotüpler ve elastomerik membranlar gibi çok
çeşitli malzemeler üretilmektedir.
