Cristales Liquidos

Cristales Líquidos

Los encontramos en los objetos más cotidianos: calculadoras, relojes, juegos electrónicos, ordenadores personales, televisores, salpicaderos de coches… En casi todos los hogares se dispone de varios equipos que tienen dispositivos de visualización, los conocidos displays, cuyos componentes activos son de cristal líquido. También podemos encontrarlos en los paneles de información en aeropuertos o estaciones, las ventanas que cambian de traslúcidas a opacas, en fotocopiadoras o en proyectores. Y lo más sorprendente, también se encuentran en sitios tan dispares como los cosméticos, los indicadores de temperatura o los tejidos resistentes al fuego o a los impactos.

¿QUÉ ES UN CRISTAL LÍQUIDO?

Si uno lo piensa bien, escuchar a alguien hablar de cristales líquidos resulta sorprendente. No es fácil unir ambas palabras si se tiene en cuenta lo que cada una de ellas significa. Sin embargo, y aunque su conocimiento sigue siendo en cierta manera limitado, se sabe que deben sus propiedades a la característica que tienen algunos compuestos químicos de presentar este cuarto estado de agregación de la materia.

Todos aprendimos en la escuela que los estados físicos de agregación de la materia son tres: sólido, líquido y gaseoso. El paso de una sustancia de un estado a otro está regulado principalmente por la temperatura. El hielo, que es agua sólida, se transforma en agua líquida a cero grados y esta se transforma en vapor de agua, un gas, a cien grados. Sin embargo, no todas las sustancias se comportan como el agua. En algunos casos, la transición de sólido a líquido no es directa, sino que se verifica atravesando un estado intermedio entre ambas fases: es el estado de cristal líquido.

EL PRIMER CRISTAL LÍQUIDO

El primero en observar un cristal líquido fue el botánico austriaco Friedrich Reinidzer en 1888, cuando vio que el benzoato de colesterilo (una sustancia sólida derivada del colesterol) formaba un líquido turbio cuando lo calentaba hasta su temperatura de fusión. Al seguir calentando, la turbidez persistía hasta que a cierta temperatura el líquido se volvía transparente. Poco tiempo después se descubrieron otras sustancias que presentaban el mismo comportamiento y pronto se demostró que ese nuevo estado de la materia aparecía intermedio entre el sólido y el líquido.

Y en esto precisamente radica su interés: reúne ciertas características de los sólidos cristalinos junto con ciertas propiedades de los líquidos. Por este motivo, el 1889 el físico alemán Otto Lehmann los llamó “cristal líquido”.

CARACTERÍSTICAS DE LOS CRISTALES LÍQUIDOS

En un sólido cristalino, las moléculas ocupan posiciones fijas y están orientadas de una manera específica unas respecto a las otras. Esto hace que algunas de sus propiedades cambien en función de la dirección que se considere: es lo que se llama anisotropía (por ejemplo, un cristal de mica podemos exfoliarlo con facilidad en la dirección de las láminas que lo constituyen pero no en la dirección perpendicular). Por el contrario, en un líquido, las moléculas están completamente desordenadas lo que le da su fluidez característica (capacidad de adoptar la forma del recipiente que lo contiene) y sus propiedades son isótropas (no dependen de la dirección considerada). Los cristales líquidos conjugan la facilidad de movimiento de los líquidos con la anisotropía de los sólidos. Todo ello los hace únicos para determinados fines.

Esta anisotropía es la responsable de las texturas características que se observan en capas delgadas de un cristal líquido a través de un microscopio óptico entre polarizadores cruzados y que dependen de la forma en que sus moléculas estén ordenadas y orientadas.

¿QUÉ TIPO DE COMPUESTOS PRESENTAN EL ESTADO CRISTAL LÍQUIDO?

Son compuestos formados, en general, por moléculas con dimensiones anisótropas. Hay cristales líquidos formados por moléculas con forma de varilla (Cristales Líquidos Calamíticos). Otros lo están por moléculas con forma de disco (Cristales Líquidos Discóticos o Columnales). Estos dos son los tipos principales de moléculas que dan lugar a la aparición del estado cristal líquido por efecto de la temperatura (cristales líquidos termótropos). Existen otros tipos de cristales líquidos, los cristales líquidos liótropos que aparecen por la presencia de algún disolvente. La estructura más típica de las moléculas que los forman consiste en una parte hidrófoba y otra hidrofílica dentro de la misma molécula, el disolvente puede ser agua u otro menos polar que induce la formación de micelas, que a su vez se ordenan en el estado cristal líquido.

CRISTALES LÍQUIDOS EN LA NATURALEZA

Los cristales líquidos no son producto exclusivo de nuestra tecnología. Como en otros ámbitos de la ciencia, la Naturaleza imita a los cristales líquidos o, dicho más propiamente, los cristales líquidos imitan a la Naturaleza. En muchos sistemas biológicos existen organizadores de tipo cristal líquido. Uno de los ejemplos mejor conocidos son los llamados fosfolípidos, el principal componente de las membranas celulares. Otro ejemplo lo constituyen las fibras de mielina, una lipoproteína que se encuentra recubriendo el axón de las neuronas. En este mismo contexto podemos también citar los cristales líquidos formados por algunos productos como los carbohidratos, los polipéptidos y los ácidos nucleicos.

Cristales líquidos biológicos

Las nanoestructuras liótropicas de cristal líquido (cristales líquidos biológicos) son abundantes en los seres vivos. Por consiguiente, los cristales líquidos liotrópicos atraen la atención particular en el campo de la química biomimética. En particular, las membranas biológicas y las membranas de las células son una forma de cristal líquido. Sus moléculas dispuestas en forma de barra (por ejemplo, los fosfolípidos o las lecitinas) son organizadas perpendicularmente a la superficie de la membrana, mas la membrana es líquida y elástica. Las moléculas del componente pueden fluir fácilmente, pero tienden a no salir de la membrana, y pueden desplazarse de un lado a otro de la membrana con alguna dificultad. Estas fases del cristal líquido en la membrana pueden recibir e introducir las proteínas importantes como si fuesen libremente receptores "flotantes", o por fuera de la membrana. Muchas otras estructuras biológicas exhiben la conducta de cristal líquido. Por ejemplo la solución concentrada de la proteína que es arrojada por una araña para generar seda de araña es, de hecho, una fase del cristal líquido1 ,.2 El orden preciso de las moléculas en la seda es crítico para darle su conocida fuerza. El ADN y muchos polipéptidos conforman fases de cristal líquido.

Reordenamiento molecular

El mecanismo básico y la dinámica de re-ordenamento molecular en cristales líquidos es considerablemente diferente en la fase isotrópica y la fase liquid-crystalline. En la fase isotrópica las moléculas están aleatoriamente orientadas; un campo láser puede forzar a la molécula para alinearse en la misma dirección del campo óptico a través de la interacción dipolar. En la fase liquid-crystalline, las moléculas están ya alineadas en una dirección caracterizada por el eje del director. En la presencia de campos, el sistema puede asumir una nueva configuración, es decir, el eje del director puede alinearse en alguna nueva dirección para minimizar la nueva energía total del sistema.

Reordenamiento molecular en la fase isotrópica

Considere la fase isotrópica (es decir, líquida). Si el láser está polarizado en la dirección x, la polarización inducida en dicha dirección es:

Donde es el cambio inducido ópticamente en la suceptibilidad. Escribiendo está polarización en términos de la suceptibilidad promedio y la anisotrópica suceptibilidad la polarización es dada por:

donde

donde Q es el parámetro de orden. En general se requieren pulsos láser muy intensos (MW/cm²) para crear un apreciable alineamiento molecular en la fase isotrópica. Para describir cuantitativamente este efecto inducido por el láser, se necesita una aproximación dependiente del tiempo, de la que el parámetro de orden es directamente proporcional a y por tanto la polarización no lineal es proporcional a es decir, de tercer orden. En la vecindad de la temperatura de transición de fase las correlaciones moleculares en cristales líquidos dan algo interesante llamado “Pretransitional phenomens”, esto es manifestado con la dependencia crítica del cambio en el índice refractivo inducido por láser y la respuesta en el tiempo en la temperatura. En un caso particular, Hanson et, (1977) encontraron que el coeficiente no lineal y la respuesta en el tiempo son dadas por

donde C, es la temperatura de transición de fase del cristal líquido. En el rango de temperatura de

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