પ્રવાહી સ્ફટિક (દ્રવ સ્ફટિક) (liquid crystal) : પ્રવાહી તેમજ ઘન પદાર્થ એમ બંને તરીકેના અમુક ગુણધર્મો ધરાવતું દ્રવ્ય. પ્રવાહી સ્ફટિકવહનની ક્ષમતા ધરાવે છે તો સ્ફટિકની માફક અસમદિશી (anisotropic) પણ હોય છે. આ કારણે તે ખૂબ જ રસપ્રદ તેમજ ઉપયોગી બાબત બનેલ છે. સેંકડો રાસાયણિક સંયોજનો- (compounds)માં ઉપર્યુક્ત અવસ્થા જોવા મળી છે. કેટલાક જીવકોષોના આવરણ (membrane)માં પણ આ પ્રકારના ગુણધર્મો જોવા મળે છે. બૅંગ્લોરના પ્રવાહી સ્ફટિક સંશોધન કેન્દ્રના નિયામક અને ભારતીય વિજ્ઞાની એસ. ચન્દ્રશેખર પ્રવાહી સ્ફટિકોના જાણીતા અભ્યાસી છે.
પ્રવાહી સ્ફટિકનો અભ્યાસ 1888માં એક વનસ્પતિશાસ્ત્રીએ કરેલા અવલોકનથી શરૂ થયાનું માનવામાં આવે છે. તેણે જોયું કે ‘કોલેસ્ટેરીલ બેન્ઝોએટ’ નામના પદાર્થના ઘન સ્વરૂપનું 145° સે. એ ધૂંધળા (turbid) પ્રવાહીમાં રૂપાંતર થાય છે. ત્યારબાદ 179° સે. તાપમાને એ પ્રવાહી સ્પષ્ટ દેખાતું થાય છે. વળી, એમ પણ જણાયું કે તે ધૂંધળું પ્રવાહી ઘન પદાર્થના સ્ફટિકોની માફક દ્વિવક્રીભવન(birefringence)નો પ્રકાશીય (optical) ગુણધર્મ બતાવે છે. આમ એ ધૂંધળું પ્રવાહી દેખાવે કલિલ (colloidal) દ્રાવણ જેવું લાગે છે; પરંતુ પ્રવાહી સ્ફટિક એ કલિલ દ્રાવણ નથી. પ્રવાહી સ્ફટિક અવસ્થા માટેનું એક સંક્રાન્તિ (transition) તાપમાન હોય છે, તેથી તે દ્રવ્યની એક અવસ્થા (phase) દર્શાવે છે. વળી આ અવસ્થામાં તેના અણુઓ એક ચોક્કસ દિશાકીય (orientational) વ્યવસ્થા પણ ધરાવતા માલૂમ પડે છે.
પ્રવાહી સ્ફટિકના ત્રણ વર્ગો પાડવામાં આવ્યા છે : સ્મેક્ટિક, નેમાટિક અને કોલેસ્ટેરિક. ‘સ્મેક્ટિક’ શબ્દનો અર્થ સાબુને મળતો આવે છે. આ પ્રકારના પ્રવાહી સ્ફટિકમાં અણુઓ સમાંતર સમતલોના સમૂહમાં ગોઠવાયેલા હોય છે. વળી તે પદાર્થની શ્યાનતા વધુ હોય છે અને દેખાવમાં તે સાબુના દ્રાવણ જેવા લાગે છે. નેમાટિક પ્રકારના પ્રવાહી સ્ફટિક પોલેરાઇઝર હેઠળ સૂક્ષ્મદર્શકમાં જોતાં પાતળા દોરા (thread) જેવી રચના જોવા મળે છે. ત્રીજા પ્રકારના પ્રવાહી સ્ફટિક મુખ્યત્વે કોલેસ્ટેરૉલના અણુઓ ધરાવતા હોવાથી તે પ્રકારનું નામ ‘કોલેસ્ટેરિક’ પાડવામાં આવ્યું છે.
સામાન્ય સ્મેક્ટિક પ્રવાહી સ્ફટિક ઉદાહરણ છે, ethyl p–ethoxybenzal–p´–aminocinnamate કે જે 77° અને 116° સે. તાપમાન વચ્ચે આ વિશિષ્ટ અવસ્થા બતાવે છે. નેમાટિક પ્રકારનું ઉદાહરણ છે, p–methoxybenzylidene–p´ –n–butylaniline (MBBA) કે જે 21° અને 47° સે. તાપમાન વચ્ચે આ અવસ્થામાં હોય છે. ત્રીજા પ્રકારનું ઉદાહરણ છે, cholesteryl nonanoate, જે 145° અને 179° સે. વચ્ચે ઉપર્યુક્ત ‘કોલેસ્ટેરિક’ પ્રવાહી સ્ફટિક તરીકે વર્તે છે.
ઘન પદાર્થોના સ્ફટિકમાં દૂર-અંતરીય (long-range) વ્યવસ્થા હોય છે અને તેમાં કેટલાક ગુણધર્મો જુદી જુદી દિશા મુજબ જુદા જુદા હોય છે; જ્યારે તેની વિરુદ્ધમાં સામાન્ય પ્રવાહીના ગુણધર્મો સમદિગ્ધર્મી (isotropic) હોય છે. પ્રવાહી સ્ફટિકમાં આંશિક અણુકીય વ્યવસ્થા જોવા મળે છે, એટલે કે તેમાં તમામ સંદર્ભોમાં દૂર-અંતરીય વ્યવસ્થા હોતી નથી. અત્રે પદાર્થના અણુઓ વિસ્તાર કે દિશાની રીતે મર્યાદિત એવી મુક્ત ગતિ કરી શકે છે. આ મર્યાદા કેવી અને કેટલી હોય છે તેનો આધાર પ્રવાહી સ્ફટિકના પ્રકાર, સ્મેક્ટિક કે નેમાટિક વગેરે પર રહેલો છે. કેટલાંક વિશુદ્ધ રાસાયણિક સંયોજનો તાપમાન અનુસાર પ્રવાહી સ્ફટિક તરીકે વર્તે છે, તો કેટલાંક સમાંગી મિશ્રણો તેમજ સાબુનાં અમુક દ્રાવણો પણ આ અવસ્થા દર્શાવે છે. પૉલિમર સંયોજનોનાં દ્રાવણો આ અવસ્થામાં હોઈ શકે છે.
સ્મેક્ટિક પ્રકારના પેટાવિભાગોને સ્મેક્ટિક – A, B, C, D, E, F તથા અન્યમાં વહેંચવામાં આવે છે. આ પ્રકારનું વર્ગીકરણ પ્રવાહી સ્ફટિકમાં અણુસમૂહોના દિશાસૂચક (director) સદિશ(vector)ને આધારે પાડવામાં આવે છે. આ ઉપરાંત નેમાટિક અને કોલેસ્ટેરિક પ્રકારોનું પણ ગુણધર્મો અનુસાર પેટાવર્ગીકરણ શક્ય છે.
પ્રવાહી સ્ફટિક પ્રથમ નજરે જોતાં સાબુ કે દૂધ જેવું ધૂંધળું પ્રવાહી દેખાય છે, પરંતુ તેના વહનના ગુણધર્મો સંકુલ હોય છે; દા.ત., સ્મેક્ટિક A પ્રકારને યોગ્ય દિશામાં કસનળીમાં ભરીને મૂકીએ અને તેને એક તરફ ઢાળતાં તે પ્રવાહી જેમ જ વર્તે છે, જ્યારે બીજી દિશામાં એ ઘન પદાર્થ જેવું વર્તન કરે છે. આ પ્રવાહી સ્ફટિકના સ્થિતિસ્થાપકતા (પ્રત્યાસ્થતા, elasticity) અને શ્યાનતા જેવા ગુણધર્મો સાદા અદિશ હોતા નથી પણ દિશા પર આધારિત હોય છે.
પ્રવાહી સ્ફટિકમાં પ્રવાહીની વહનક્ષમતા અને ઘન પદાર્થમાં ઘણા કણોની જોવા મળતી સામૂહિક વર્તણૂક હોવાથી એ બાહ્ય બળ કે ક્ષેત્રની અસર હેઠળ પણ વિશિષ્ટ રીતે વર્તે છે. વળી તેઓ પ્રકાશની હાજરીમાં પણ ખાસ અસર ઉત્પન્ન કરે છે. આનું કારણ એ છે કે પ્રવાહી સ્ફટિક અવસ્થામાં વિદ્યુત ધ્રુવીકરણ-ક્ષમતા (polarizability) તેમજ વક્રીભવનાંક (refractive index) અસમદિશી બને છે. આ તમામ ભૌતિક ગુણધર્મોને તેમાં રહેલા અણુઓના આંતરિક બંધન તથા રાસાયણિક રચના સાથે સાંકળી શકાય છે. પદાર્થની આ વિશિષ્ટ અવસ્થા (phase) ભૌતિકશાસ્ત્રની ર્દષ્ટિએ સમજવાનું મુશ્કેલ બને છે, જોકે તે અંગે ક્ષ-કિરણ વિવર્તન તથા ન્યૂક્લિયર ચુંબકીય અનુનાદ (nuclear magnetic resonance) વગેરે પદ્ધતિઓની મદદથી પ્રગતિ સાધી શકાઈ છે. આ દિશામાં સાંખ્યિકીય યંત્રશાસ્ત્રને આધારે સૈદ્ધાંતિક નમૂનો રચવામાં આવેલ છે. એ નોંધવું જોઈએ કે પ્રવાહી સ્ફટિક હોવાની ઘટના મોટી સંખ્યાના પરમાણુઓ ધરાવતા કાર્બનિક પદાર્થોમાં જ જોવા મળે છે.
પ્રવાહી સ્ફટિકોના વ્યવહારુ ઉપયોગોમાં પ્રવાહી સ્ફટિક પ્રદર્શન (liquid crystal display) મુખ્ય છે. કાંડા-ઘડિયાળોમાં LCD(લિક્વિડ ક્રિસ્ટલ ડિસ્પ્લે)નો આંકડાઓ દર્શાવવા માટેનો ઉપયોગ ખૂબ જાણીતો છે. આ પ્રકારના ઉપયોગનાં સાધનો કદ અને વિદ્યુત-ઊર્જાના વપરાશની ર્દષ્ટિએ ખૂબ કરકસરભર્યાં હોય છે. આવાં સાધનોમાં સામાન્ય રીતે નેમાટિક પ્રકારના પ્રવાહી સ્ફટિકો બે સમાંતર દીવાલોની મદદથી સુયોગ્ય દિશામાં ગોઠવેલ હોય છે. વળી તેને પારદર્શક વીજાગ્રોની મદદથી થોડાક વોલ્ટેજનું વીજવિભવ લગાડતાં મળતી વીજક્ષેત્રની અસરથી પ્રવાહી સ્ફટિક પદાર્થના અણુઓની નવી દિશામાં ગોઠવણી થવા પામે છે, જેથી પદાર્થના પ્રકાશીય (optical) ગુણધર્મો પણ બદલાય છે. આમ તે પદાર્થ આસપાસની ભૂમિકામાં જુદો દેખાય છે અને તુરત નજરે ચડે છે. આ પ્રકારનાં LCDમાં પોલેરાઇઝરની જરૂર પડતી નથી. અન્ય એક જાતના LCDમાં કોઈ વિશિષ્ટ રંગ-દ્રવ્ય(dye)ને પ્રવાહી સ્ફટિકમાં ભેળવવામાં આવે છે. LCD પર પડતા પ્રકાશની તીવ્રતામાં થતા ફેરફાર મુજબ તત્કાલ તેની પારદર્શકતામાં પણ ફેરફાર થાય છે. LCDમાં આપાત પ્રકાશનો યોગ્ય અને તુરત પ્રતિભાવ સાંપડતો હોવાથી એ કેથોડ-રે ટ્યૂબમાં પણ વપરાય છે, તેમજ એ વીજપ્રકાશીય સ્વિચ તરીકે પણ ઉપયોગી છે. તે માપનનાં સાધનોમાં પણ વપરાય છે. કોલેસ્ટેરિક પ્રકારના પ્રવાહી સ્ફટિકોનો દેખાતો રંગ જુદી જુદી બાબતો પર આધાર રાખે છે; જેમાં તાપમાન, દબાણ તેમજ અશુદ્ધિ વગેરે સમાવિષ્ટ છે. તે કારણે આ પદાર્થો એક પ્રકારનાં સંવેદન ઉપકરણો (sensors) તરીકે વાપરી શકાય છે. જીવ-વિજ્ઞાન (biology) તથા ચિકિત્સાશાસ્ત્ર (medical sciences)માં પણ પ્રવાહી સ્ફટિકના ઉપયોગો થાય છે. આમ પ્રવાહી સ્ફટિક એ આંતરવિદ્યાશાખીય (interdisciplinary) અભ્યાસનો વિષય બની રહે છે.
કમલનયન ન. જોશીપુરા