High resolution dielectric anisotropy investigation of carbon nanotube - smectic A liquid crystal dispersion
Karbon nanotüp - smektik A sıvı kristal karışımlarının yüksek çözünürlüklü dielektrik ölçümlerinin incelenmesi
- Tez No: 771329
- Danışmanlar: PROF. DR. SEVTAP YILDIZ ÖZBEK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilim ve Teknoloji, Fizik ve Fizik Mühendisliği, Science and Technology, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 79
Özet
Maddenin ara fazlarından biri olan sıvı kristal hali, katı kristal ile izotropik sıvı arasında bulunur. Dolayısıyla, hem katı hem de sıvı özelliklerini gösteren büyük organik moleküllerden olus ̧an sıvı kristaller, termodinamik açıdan kararlı bir ara faza sahiplerdir. Sıvıların izotropik moleküllere sahip olmaları, her yönde aynı özellik göstermelerine olanak verir. Dig ̆er yandan, katılar kristal moleküllere sahiplerdir. Kristal moleküllere sahip olan katılar anizotropik özellik gösterirler. Anizotropik özellig ̆e sahip olan maddelerin fiziksel özellikleri yöne göre deg ̆is ̧mektedir. Dolayısıyla, sıvı kristaller sıvı kristal fazında, izotropik sıvı gibi akabilmelerine rag ̆men yönelimsen düzene ek olarak sınırlı konumsal düzene de sahiplerdir. Bu da sıvı kristallerin elektrik ve optik gibi fiziksel özelliklerinin yöne göre deg ̆is ̧mesine sebep olur. Sıvı kristal fazı ilk defa bitki bilimcisi yani botanikçi Friedrich Reinitzer tarafından kes ̧fedilmis ̧tir. Reinitzer kolesterol esaslı maddeler üzerinde çalıs ̧ırken, çalıs ̧tıg ̆ı madde olan kolesteril benzoatın saflıg ̆ını incelemek adına erime noktasını belirlemeye çalıs ̧ıyordu. Çalıs ̧ması sırasında, bu malzemenin iki farklı erime noktasına sahip oldug ̆unu gözlemlemis ̧tir. Ayrıca Otto Lehman kendi icat ettig ̆i ısıtmalı polarize mikroskop altında malzemeyi inceleyerek Reinitzer'in çalıs ̧malarını dog ̆rulamıs ̧tır. Lehmann hem izotropik sıvı hem de kristal katı özelliklerine sahip olan bu malzemeleri sıvı kristal olarak isimlendirmis ̧tir. Sıvı kristaller termotropik ve liyotropik olmak üzere iki sınıf altında toplanabilirler. Çözücü ve çözünenende olus ̧an liyotroplar, çözünen konsantrasyon deg ̆is ̧imiyle faz geçis ̧i gösterirler. Termotroplar ise deg ̆is ̧en sıcaklık ile ara faz gösterirler. Hem teknolojik, hem de aras ̧tırma alanlarındaki çalıs ̧malara bakıldıg ̆ında, küçük çubuk veya disk s ̧eklindeki organik moleküllerden olus ̧an termotropik sıvı kristaller çok daha büyük bir öneme sahip olmus ̧tur. Termotropik sıvı kristaller moleküllerin yönelimi ve düzen parametresine göre nematik, smektik ve kolesterik olmak üzere üç farklı sınıfa ayrılırlar. Nematik fazda, moleküller uzun erimli yönelimsel düzene sahip olmalarına rag ̆men konumsal düzenleri yoktur. Moleküllerin uzun eksenleri direktör nˆ olarak adlandırılan tercihli bir dog ̆rultu boyunca yönelime sahiplerdir. ̇Izotropik faza en yakında olan, düzene en az sahip olan sıvı kristal fazıdır. Smektik fazda ise, moleküller yönelimsel düzene ek olarak bir boyutta konumsal düzene de sahiplerdir. Moleküller yöneldikleri dog ̆ru boyunca tabakalar olus ̧tururlar. Olus ̧turdukları tabakalara ve tabakalar arası korelasyona bag ̆lı olarak farklı smektik türlerini olus ̧tururlar. Kolesterik sıvı kristaller sarmal yapıları dolayısıyla kiral nematik sıvı kristaller olarak da adlandırılırlar. Moleküllerin sarmal bir yapı olarak sıralanmasından farklı olarak, nematikler gibi uzun erimli yönelimsel düzene sahiplerdir. Faz geçis ̧i, sıcaklık veya basınç gibi bir dıs ̧ etki altında, maddenin bir halden bas ̧ka bir hale geçmesidir. Önemli bir aras ̧tırma alanına sahip olan faz geçis ̧lerini anlamada, farklı faz geçis ̧lerine sahip olan sıvı kristal malzemeler büyük katkı sag ̆lamaktadırlar. Faz geçis ̧leri, sıvı kristallerin özelliklerini anlamada da büyük bir öneme sahiplerdir. Maddenin faz geçis ̧i sırasındaki davranıs ̧ını iç yapısı deg ̆il, düzen parametresinin boyutu ve sistemin serbestlik derecesi belirler. Faz geçis ̧i esnasında iki nokta birbirinden ayırt edilemiyorsa, bu nokta“kritik nokta”olarak adlandırılır ve bu noktadaki sıcaklıg ̆a“kritik sıcaklık”Tc denir. Faz geçis ̧leri, sürekli ve süreksiz olmak üzere iki bas ̧lık altında toplanabilir. Sürekli faz geçis ̧i ayrıca birinci dereceden faz geçis ̧i olarak adlandırılabilir. Birinci derece faz geçis ̧i sırasında gizli ısı açıg ̆a çıkar ve entropide süreksiz bir deg ̆is ̧im gözlemlenir. Sürekli faz geçis ̧i yani ikinci dereceden faz geçis ̧i esnasında ise entropi süreklidir ve gizli ısıya yoktur. Sıvı kristallerin birçok ara faza sahip olmaları, faz geçis ̧leri konusundaki farklı teori ve modelleri dog ̆rulamada büyük öneme sahiptir. Geçis ̧ sıcaklıkları civarında farklı faz geçis ̧lerinin aynı kritik davranıs ̧ı göstermesi“evrensellik”olarak adlandırılır. Bu tez çalıs ̧masında, 8CB (polar oktilsiyanobifenil), çok duvarlı karbon nanotüp (p-MWCNT) ve karboksil grup ile fonksiyonelles ̧tirilmis ̧ karbon nanotüplerin (f-MWCNT) farklı kütle oranları için yüksek çözünürlükte dielektrik ölçümleri belirlenmis ̧tir. Direktör boyunca ε∥ ve direktöre dik olan ε⊥ dielektrik geçirgenlikleri elde etmek için uygun hücreler kullanılaeak kapasitans ölçümleri alınmıs ̧tır. Direktöre dik olan ölçümler için planar hücre, direktör boyunca olan ölçümler için ise homeotrop hücreler kullanılmıs ̧tır. Nematik-izotropik faz geçis ̧ini anlayabilmek adına bu geçis ̧ sırasındaki düzen parametresi S(T)'yi belirlemek önemlidir. Düzen parametresi S(T), anizotropik davranıs ̧ gösteren fiziksel bir büyüklük ile belirlenebilir. Bu çalıs ̧ma için, Maier-Meier teorisi kullanılarak düzen parametresi türetilmis ̧tir. Düzen parametresinin davranıs ̧ını belirleyen kritik üstel β, tüm malzemeler için bulunmus ̧tur. Kritik üstel deg ̆erleri 8CB için 0.247 ± 0.002, p-0.007 için 0.235 ± 0.001, p-0.07 için 0.232 ± 0.002, f-0.007 için 0.242 ± 0.003 ve f-0.07 için 0.233 ± 0.003 bulunmus ̧tur. Kritik üstel için bulunan bu deg ̆erler, N-I faz geçis ̧inin zayıfça birinci dereceden faz geçis ̧i oldug ̆unu göstermektedir. Bu deg ̆erler, literatürde bulunan trikritik deg ̆er β=0.25 ile de uyumludur. Ayrıca bu deg ̆erler, Yildiz ve ekibi tarafından optik ölçümlerden elde edilen deg ̆erler ile de uyum göstermektedir. Nematik-smectic A faz geçis ̧i, faz geçis ̧inin derecesini ve evrensellig ̆i belirlemek amacıyla kullanılan en aktif çalıs ̧ma alanlarından biridir. Smektik A fazı hem yönelimsel hem de konumsal düzene sahip oldug ̆undan dolayı faz geçis ̧inin üç boyutlu XY evrensellik sınıfına uyması beklenir. Fakat bugüne kadar yapılan deneylerde, evrensel olmayan kritik bir davranıs ̧ gözlenmis ̧tir. Bu faz geçis ̧i esnasında, nematik ve smektik A düzen parametreleri arasında faz geçis ̧inin türünü deg ̆is ̧tiren bir çiftlenim olus ̧maktadır. Genis ̧ nematik faz bölgesinde ikinci derece faz geçis ̧i olus ̧maktadır. Öte yandan dar nematik faz bölgesinde ise birinci derece faz geçis ̧i olus ̧ur. N-Sm A faz geçis ̧i civarında yüksek çözünürlüklü dielektrik anizotropi ölçümleri literatürde oldukça sınırlıdır. Bu çalıs ̧mada, tüm malzemeler için dielektik anizotropide süreksizlik gözlenmis ̧tir. Bu süreksizlikten yola çıkarak N-Sm A faz geçis ̧inin ikinci dereceden faz geçis ̧i oldug ̆u belirtilmis ̧tir. Tüm malzemeler için nematik-smektik A hal geçis ̧i civarında, ısı sıg ̆ası ∆HNA'nın üst limiti belirlenmis ̧ olup bulunan deg ̆erler optik ölçümlerden elde edilen deg ̆erler ile kars ̧ılas ̧tırılmıs ̧tır. Nematik-smektik A geçis ̧ öncesi anomalisi, nematik-smektik A faz geçis ̧i boyunca nematik düzen parametresinin sıcaklık gradyanının kritik üstelinin, özgül ısı kapasitesi kritik üsteli α ile aynı oldug ̆u gösterilmis ̧tir. Tüm malzemeler için etkin özgül ısı kapasitesi, nematik smektik A faz geçis ̧i civarında her iki taraf için bulunmus ̧tur. Sonuç olarak bu tez çalıs ̧masında, 8CB, 8CB-p-MWCNT ve 8CB-f-MWCNT için dielektrik ölçümleri kullanılarak her bir malzeme için nematik-isotropik ve nematik smektik A faz geçis ̧leri incelendi. Bu ölçümlerden düzen parametresi S(T) türetildi ve her bir malzeme için düzen parametresinin kritik üsteli elde edilerek trikritik hipotezle uyumlu oldug ̆u gözlemlendi. Yine tüm malzemeler için nematik-smektik A geçis ̧inin süreksiz oldug ̆u gösterildi. Dielektirik ölçümleri kullanılarak nematik-smektik A geçis ̧i için tüm malzemelerde özgül ısı kapasitesi elde edilip kritik üstelleri bulundu.
Özet (Çeviri)
It is well-known that there are three common phases in condensed matter which are crystal, liquid, and gas. Crystalline solids are anisotropic, which means that many physical properties are different in direction. Besides, liquids are isotropic, which means they present the same properties in all directions. Liquid crystals (LCs) have physical features like an ordinary liquid, though their molecules are ordered, leading to anisotropy. Many liquid crytsalline materials which have one or more different mesophases exhibit properties between crystalline solid and isotropic liquid. Mesophases, which liquid crystals have, are mostly characterized by their properties of orientation. One of the mesophases is entitled nematic (N) phase, which has a long-range orientational order. Molecules which have orientational order tend to align along a director, which is the measure of the average direction of the molecules. The other phase is called has smectic phase (Sm), which has partial positional order in addition to the orientational order. Thereby, molecules are arranged in layers in smectic phases which are coded alphabetical according to the order of the discovery. Smectic A (SmA) phases have a wide range usage in a smectic phases. In the smectic A phase, molecules have a layered structure which is normal to the layers. It is worthwhile noting that knowledge of the phase transition is crucial to understanding the properties of the liquid crystals. According to de Gennes, a physical system which has a physical property can be a measure of the order. In nematic phase, molecules have a property of anisotropy which can be measured with a dielectric anisotropy. Therefore, dielectric measurements, which are an example of physical quantities, can be used for testing liquid crystalline behavior. Phase transition is a change of a phase from one to another by external effects like temperature or pressure. The point in phase transition where two phases cannot be distinguished from each other is defined as a critical point. Temperature refers to the critical point is called critical temperature Tc. If there is a latent heat and discontinuous change in entropy near the critical point, it is called a first order phase transition. Otherwise, it is called second order phase transition. Worthwhile recalling that critical behaviour of the liquid crystalline materials can be determined by the order parameter S(T) which is produced from dielectric anisotropy data. In this work, high resolution dielectric data have been obtained for 8CB (octylcyanobiphenyl) liquid crystals in addition to 8CB nanocomposites doped with both pristine multi-walled carbon nanotubes (p-MWCNT) and -carboxyl group (-COOH) functionalized MWCNTs (f-MWCNTs). Nematic order parameter for both the nematic-isotropic (N-I) and nematic smectic A (N-SmA) of the neat 8CB and 8CB+MWCNT has been derived from Maier-Meier theory, which can be used to examine the effect of dielectric anisotropy in the nematic phase. In 8CB doped with both p-MWCNT and f-MWCNT, the N-I and N-SmA transition temperatures shifted to a lower value compared to pure 8CB. N-I transitions for all 8CB+MWCNT nanocomposites manifests weakly first order, on the other hand, N-SmA transition remains continuous. Sufficiently far away from the SmA phase, the critical exponent β which determines the tricritical behavior of order parameter S(T) are obtained 0.238 ± 0.002 on average, which is in excellent agreement with the obtained from optical birefringence data. The obtained β value is compatible with the hypothesis that the N-I phase transition exhibits tricritical behavior. All investigated compounds present the temperature dependence of N-I and the nematic-crystalline phase transitions of the order parameter is quasi-tricritical. Previous studies show that, the critical behaviour at N-SmA transition is an important research area. For the first time, the upper limits for a latent heat ∆HNA for the neat 8CB and MWCNT doped 8CB have been derived from the detailed dielectric anisotropy data in the N-SmA transition. Besides, the ∆HNA values produced in this way appear to be in agreement when compared with the values obtained from optical birefringence data and ASC measurements. By using the power law analysis of the ∆ε(T) data, which is the temperature gradient of the nematic order parameter through the N-SmA transition, the effective specific heat capacity exponents α have been yielded for all samples. For the first time, high resolution dielectric measurements ∆ε enable to invetigate the N-SmA transition behaviour.
Benzer Tezler
- E63 kodlu NiPc+C61 katkılı nematik sıvı kristalin elektriksel ve manyetik özelliklerinin incelenmesi
Investigation of electric and magnetic properties of NiPc and C-61 doped E63 nematic liquid crystal
ÖMER YILMAZ
Doktora
Türkçe
2016
Fizik ve Fizik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ZEYNEP GÜVEN ÖZDEMİR
- İnce filmlerde manyeto-optik ölçümler
Magneto-optical measurements of thin films
NUMAN AKDOĞAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2004
Fizik ve Fizik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ.DR. MEHMET ŞİRİN
- İnce film süperkapasitörün üretimi ve dielektrik karakterizasyonu
Production and dielectric characterization of thin film supercapacitor
DENİZ BOZOĞLU PARTO
Doktora
Türkçe
2024
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. DENİZ ULUTAŞ
PROF. DR. HÜSEYİN DELİGÖZ
- Vücut sıvılarının dielektrik özellikleri
Dielectric properties of body fluids
ÇAĞDAŞ DEMİRTAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. DENİZ DEĞER ULUTAŞ
- Fabrication and characterization of nanocomposite thin films for dielectric applications
Dieleltrik uygulamalar için nanokompozit ince filmlerin üretimi ve karakterizastyonu
SERDAR GÜLTEKİN
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Bilim ve TeknolojiDokuz Eylül ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERDAL ÇELİK