El rincón de la Ciencia I.S.S.N.: 1579-1149

nº 47 (octubre-2008)

Cristales líquidos (RC-111a)


Paloma Ovejero Morcillo
(Universidad Complutense de Madrid. Grupo de Materiales Moleculares basados en compuestos de coordinación)


Puede verse también el artículo: pantallas de cristal líquido


CRISTALES LÍQUIDOS 

En la actualidad estamos familiarizados con la expresión LCD para referirnos a las pantallas de los teléfonos móviles, ordenadores, agendas electrónicas, cámaras de fotografía y vídeos, etc. El material base de estos dispositivos lo constituyen los cristales líquidos, como el acrónimo inglés nos indica LCD "Liquid Crystal Display" "Pantallas de Cristal Líquido". 

Pero estos materiales no solo forman parte de los dispositivos electrónicos, sino que también ocupan un lugar destacado en la naturaleza pues la simple película de una pompa de jabón, una membrana biológica o una membrana celular son una clase de cristal líquido. Incluso el DNA y muchos polipéptidos son también fases cristal líquido. Además estas sustancias tan peculiares son también esenciales para fabricar nuevos materiales, entre ellos fibras de muy alta resistencia pero a su vez muy ligeras (Kevlar), que se utilizan en la fabricación de chalecos antibalas, cascos, etc. También se utilizan para construir ventanas inteligentes (se pueden cambiar de opacas a transparentes con solo presionar un interruptor), tienen aplicaciones como termómetros, termoindicadores, y también se pueden encontrar aplicaciones en otras áreas de la ciencia como en medicina (termografías cutáneas) o en cosmética.

Dado el elevado número de aplicaciones que estos materiales pueden tener, el presente y futuro de los cristales líquidos es sumamente prometedor, y de ahí el que científicos de diferentes ramas de la ciencia estén interesados en continuar las investigaciones acerca de este tipo de sustancias.

Para entender las múltiples aplicaciones de los cristales líquidos pasamos a desarrollar unos conceptos básicos y sus características más destacadas.

Es conocido que los estados de agregación de la materia son tres: sólido, líquido y gas. El paso de un estado físico a otro está definido por un valor de la temperatura (a una presión determinada). La mayoría de los sólidos dan lugar a líquidos directamente al fundirse. Sin embargo, no todas las sustancias se comportan de esta forma, existen casos en los que las transiciones de fase sólido-líquido no son directas sino que se verifican atravesando un estado intermedio entre ellas denominado cristal líquido. Los cristales líquidos, por tanto, son fases intermedias entre los líquidos y los sólidos, poseen propiedades físicas de ambas fases, y de ahí el origen de su nombre.

Los cristales líquidos presentan un orden parcial en alguna dimensión espacial, es decir las moléculas tienden a orientar sus ejes moleculares en una dirección preferente, y no los colocan al azar como lo harían en un líquido isotrópico. Este grado intermedio orden-desorden implica que tengan propiedades singulares que se manifiestan en una dirección determinada. Los cristales líquidos tienen propiedades anisotrópicas (tienen propiedades que dependen de la dirección en que se miden). Este comportamiento fue descrito por primera vez por F. Reinitzer a finales del siglo XIX.

Estas ordenaciones intermedias entre el estado sólido y líquido son llamadas también mesofases. Las diferentes mesofases están caracterizadas por el tipo de orden que está presente y podemos distinguir varias clases: nemáticos, esmécticos y colestéricos (clasificación realizada por Friedel en 1922).

Los nemáticos constituyen la mesofase menos ordenada. Las moléculas se encuentran esencialmente desordenadas en cuanto a las posiciones de sus centros de masa, pero alguno de los ejes principales se encuentra orientado en una dirección, llamada director. De este modo, respecto a la posición de los centros de masas, un nemático se comporta como un líquido ordinario y sus moléculas se mueven caóticamente, sin embargo difiere totalmente de un líquido en que sus moléculas se orientan y al moverse mantienen sus ejes paralelos a una dirección común.

Si los nemáticos son la fase más desordenada de los cristales líquidos, los esmécticos constituyen la fase más ordenada. Tienden a organizarse en capas planas paralelas entre sí, con sus ejes moleculares perpendiculares a estos planos y paralelos también entre sí (esmécticos A). Hay diferentes fases que poseen esta propiedad estructural, se las diferencia añadiendo una letra al nombre de esméctico. Hoy en día hay identificadas 14 fases esmécticas (Chandrasekhar, 1988). De entre todas ellas, las tres más importantes son denotadas con las letras A, B y C.

Así por ejemplo en los esmécticos C la configuración molecular es similar a los anteriores excepto en que los ejes moleculares están girados respecto al eje director.

Las moléculas de las mesofases colestéricas se distribuyen en capas, pero en este caso los ejes moleculares se orientan en una dirección paralela al plano mismo de las capas y esta dirección cambia ligeramente de capa a capa por lo cual el eje de orientación, al pasar de un plano a otro, describe una trayectoria helicoidal. A esta dirección especial se le llama eje óptico del material y el la causa de muchos fenómenos ópticos importantes presentados por estos materiales.

Los cristales líquidos también se pueden clasificar en termotrópicos y liotrópicos. Los cristales líquidos termotrópicos son aquellos que alcanzan el estado cristal líquido como consecuencia de una variación de temperatura. Los liotrópicos son aquellos en los que la mesofase aparece cuando el material se disuelve en un disolvente adecuado bajo determinadas condiciones de temperatura y concentración.

¿Cómo podemos diferenciar las diferentes mesofases en un cristal líquido termotrópico? Estas pueden observarse si el material cristal líquido es observado utilizando un microscopio óptico de luz polarizada (MOP) dado que cada una de ellas presenta diferente textura. Así cada textura se corresponde con una de las orientaciones preferentes comentadas anteriormente.

Texturas SmA observadas por microcopio óptico (MOP) para compuestos de plata1 (izquierda) en el calentamiento a 121 ºC y en el enfriamiento a 85 ºC (derecha).


Una técnica complementaria es la calorimetría de barrido diferencial (DSC) la cual se utiliza para medir las temperaturas y las entalpías de transición.

Termograma DSC 2 de [AuClHpzR(12)]


Desde el descubrimiento del primer compuesto con comportamiento de cristal líquido, la mayoría de los compuestos con estas características eran compuestos puramente orgánicos. Sin embrago en 1923 Vorländer describió los primeros metalomesógenos -cristales líquidos que contienen átomos metálicos- Desde este momento este tipo de compuestos también han sido objeto de interés y de investigación. La introducción de metales en los cristales líquidos permite obtener una gran variedad de compuestos con estructuras muy diferentes a las de los derivados orgánicos lo que da lugar a la modificación de propiedades tales como color, conductividad, magnetismo o comportamiento redox. Estas características amplían la posibilidad de obtener nuevos materiales con nuevas aplicaciones tecnológicas.

Referencias:

1 Paloma Ovejero, M. José Mayoral, Mercedes Cano, José A. Campo, José V. Heras, Paula Fernández- Tobar, Marta Valién, Elena Pinilla and M. Rosario Torres, Mol. Cryst. Liq. Cryst., Vol. 481, pp. 34 - 55, 2008.


2 P. Ovejero, M. J. Mayoral, M. Cano, M. C. Lagunas, J. Organomet. Chem., Vol. 692, 1690 - 1697, 2007.