Doğadaki bütün maddeler atom ve moleküllerin çeşitli şekillerde bir araya gelmesiyle ortaya çıkmıştır. Maddenin belirli bir halini nitelemek için “faz” kelimesi kullanılır. En temel düzeyde maddeler üç faz (hal) ile sınıflandırılmıştır. Bunlar katı, sıvı ve gaz halleridir.
Katılar, doğada atomların veya moleküllerin diziliş ve düzenli bir şekilde sıralandıkları kristal yapı ve atomların veya moleküllerin düzensiz ve karmaşık olarak dağılım gösterdiği amorf yapılar halinde bulunabilirler. Katı hal, her atomun/molekülün belirli bir konumda olması ve orada kalması nedeniyle oldukça sert bir yapıdadır. Bünyesindeki moleküller titreşim yapabilseler bile ortalamada bu yüksek düzenli yerleşmeyi tam olarak sürdürürler. Bu yerleşimden kaynaklanan, yerlerinde kalmalarını sağlayan çekme kuvvetleri vardır. Dolayısıyla katı yapıyı bozabilmek için büyük dış kuvvetler gerekir ki, katılar sert ve deforme edilebilmeleri zor bir madde fazıdır. Sıvılar ise tabakalı yapıya sahiptirler ve belirli bir hacimleri vardır. Ancak moleküllerin yerleşiminde uzun erimli düzenler yerine, molekül kütle merkezlerinin konumlarında kısa erimli bir yerleşim düzeni vardır. Buradan çıkarılabilecek sonuçlar şunlardır ki; sıvı fazdaki düzen, katıdakinden çok daha azdır ve sıvı moleküllerini bir arada tutan kuvvetler katıdakilerden büyük ölçüde daha zayıftır. Bu nedenle belirli bir hacimleri olmasına rağmen şekilleri yoktur ve bulundukları kabın şeklini alırlar. Gaz fazında yüksek entropiden (düzensizlik) ötürü moleküllerin daha da düzensiz hareketleri ve dağılımları vardır. Bulundukları ortama, tamamen kaplayacak şekilde dağılabilirler. Örneğin aynı maddenin üç halini de bir arada anlayabilmek için suyu örnek verebiliriz. Katı olarak buz, sıvı olarak su ve gaz olarak da su buharı bu fazlara örnek teşkil eder. Bunlardan daha ileri bir düzeyde maddenin, çok yüksek sıcaklıklara kadar ısıtılmasıyla oluşan ve eşit sayıda pozitif ve negatif yükleri barındıran farklı bir gaz ortamı, yani maddenin plazma fazı, dördüncü bir faz olarak maddenin hallerinden biri sayılır.
Avusturyalı bir botanikçi olan Friendrich Reinitzer isimli bilim insanı, 1888'de kolesteril benzoat isimli madde üzerinde çalışmalar yaparken, bu maddenin iki ayrı erime sıcaklığına sahip olduğunu belirledi. Katı haldeki kolesteril benzoat, sıcaklık artışıyla önce opak renkli bulanık bir sıvıya; sıcaklık daha da artırıldığında ise berrak bir sıvı hale dönüşüyordu (Şekil 1). Örneğe soğutma uygulanırken de olay tam tersine gerçekleşiyordu. Daha sonra bunlardan yararlanarak, Alman fizikçi Otto Lehmann, ısıtmalı ve soğutmalı bir sisteme sahip olan polarize mikroskop altında yaptığı incelemelerle bulanık sıvıya ait olan fazın anizotropik (yönelime bağlı, sıvılar izotropik yani rastgele moleküler yönelim var) bir karakter taşıdığını ortaya koymuş ve termodinamik olarak kararlı olan bu fazın, maddenin yeni bir hali olduğu sonucuna varmıştır. O zamandan sonraki tarihlerde, maddenin beşinci hali olarak da adlandırılacak olan “sıvı kristal” Lehmann tarafından isimlendirilmiştir.
Şekil 1. Kolesteril benzoatın sıvı kristal ve sıvı fazı.
Ondokuzuncu yüzyılın sonlarına ve yirminci yüzyılın başlarına kadar, bilim insanları bu fazı açıklamakta oldukça zorlansalar da, birçok deneyden ve çalışmadan sonra sıvı kristal durum açıklık kazanmaya başlamıştır. Ayrıca dünya çapında bir Sıvı Kristal Enstütüsü’nün kuruluşu ve ilk Uluslararası Sıvı Kristal Kongresi’nin düzenlenmesi de bu gelişime büyük katkı sağlamıştır. 1970’li yıllarda bu madde fazının gelişen teorik çalışmalarının ışığında, deneysel olarak da bir dizi malzemenin sentezi ve uygulama alanı da büyümüştür.
Bir katıda moleküller sadece belirli yerlerde bulunurlar. Bu da demektir ki, katı halin konumsal bir düzeni vardır. Dahası, konumsal düzene sahip olan moleküller, birbirlerinin doğrultusuna göre yönelimler gösterirler. Yani katı halin bir de yönelimsel düzeni vardır. Katı eriyip tamamen sıvı faza geçtiğinde, konumsal düzen de yönelimsel düzen de yok olur. Ancak katı, sıvıya doğru erirken, oluşma ihtimali olan ve sıvı olarak nitelendirilebilen akışkan bir yapıda da konumsal olmasa da, yönelimsel düzeni görmek olasıdır. Böyle bir durumda sıvılarda olmayan bir düzen derecesine rastlarız ki, bu da yeni bir madde fazını yani sıvı kristal fazını elde ettiğimiz anlamına gelir.
Sıvı kristaller terimi veya başka bir deyişle mezomorfik yapılar (meso=between, morph=form) katı kristal hal ile amorf sıvı hal arasında kalan bir ara faz grubudur ve anizotropik moleküllerden oluşur. Sıvı kristal halde konumsal düzen iyice azalmakta ve yalnızca yönelimsel düzen sağlanmaktadır. Katı, sıvı kristal ve sıvı fazların moleküllerinin dağılımları şekil 2’de görülmektedir.
Şekil 2. Katı, sıvı kristal ve sıvı fazların şematik gösterimi.
Akışkan bir kristal yapı tanımı ile sıvı kristaller bilimsel literatürde bir katı-sıvı ara faz durumu olup katı, sıvı, gaz ve plazma gibi maddenin "klasik halleri" şeklinde kabul edilmemektedir. Daha doğrusu, yoğun madde fiziği kapsamında sıvı kristaller halen araştırılırken, bu tartışmalar da sürmektedir. Benzer tartışmalar, maddenin 5. hali olmaya başka bir aday olan Bose-Einstein yoğunlaşması (BEC) hakkında da devam etmektedir.
Emir Haliki
Kaynaklar
- Collings, P.J., 1990, Liquid Crystals-Nature’s Delicate Phase of Matter, Princeton University Press, New Jersey, 201p.
- Chandrasekhar, S., 1992, F. R. S.: Liquid Crystals, Cambridge University Press, 480p.
- Vertogen, G. and De Jeu, W. H., 1988, Thermotropic Liquid Crystals; Fundamentals, Springer Verlag, 324p.
- http://schoolbag.info/chemistry/central/105.html