Cristal liquido

Estado de la materia con propiedades tanto de líquidos como de cristales convencionales

Textura Schlieren de la fase nemática de cristal líquido.

Física de la Materia Condensada
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Los cristales líquidos (CL) son un estado de la materia que tiene propiedades entre las de los líquidos convencionales y las de los cristales sólidos . Por ejemplo, un cristal líquido puede fluir como un líquido, pero sus moléculas pueden estar orientadas de forma cristalina. Hay muchos tipos diferentes de fases de cristal líquido , que se pueden distinguir por sus diferentes propiedades ópticas (como texturas). Las áreas contrastantes en las texturas corresponden a dominios donde las moléculas de cristal líquido están orientadas en diferentes direcciones. Sin embargo, dentro de un dominio, las moléculas están bien ordenadas. Es posible que los materiales LC no siempre estén en un estado de materia de cristal líquido (al igual que el agua puede convertirse en hielo o vapor de agua).

Los cristales líquidos se pueden dividir en fases termotrópica , liotrópica y metalotrópica . Los cristales líquidos termotrópicos y liotrópicos consisten principalmente en moléculas orgánicas , aunque también se conocen algunos minerales. Los LC termotrópicos exhiben una transición de fase a la fase de cristal líquido a medida que cambia la temperatura. Las LC liotrópicas exhiben transiciones de fase en función tanto de la temperatura como de la concentración de las moléculas de cristal líquido en un solvente (típicamente agua). Las CL metalotrópicas se componen de moléculas tanto orgánicas como inorgánicas; su transición de cristal líquido depende no solo de la temperatura y la concentración, sino también de la relación de composición inorgánica-orgánica.

Se pueden encontrar ejemplos de cristales líquidos tanto en el mundo natural como en aplicaciones tecnológicas. Las pantallas de cristal líquido generalizadas utilizan cristales líquidos. Las fases cristalinas líquidas liotrópicas son abundantes en los sistemas vivos, pero también se pueden encontrar en el mundo mineral. Por ejemplo, muchas proteínas y membranas celulares son cristales líquidos. Otros ejemplos bien conocidos de cristales líquidos son las soluciones de jabón y varios detergentes relacionados , así como el virus del mosaico del tabaco y algunas arcillas .

Historia

En 1888, el fisiólogo botánico austriaco Friedrich Reinitzer , que trabajaba en la Karl-Ferdinands-Universität , examinó las propiedades físico-químicas de varios derivados del colesterol que ahora pertenecen a la clase de materiales conocidos como cristales líquidos colestéricos. Anteriormente, otros investigadores habían observado distintos efectos de color al enfriar los derivados del colesterol justo por encima del punto de congelación , pero no lo habían asociado con un nuevo fenómeno. Reinitzer percibió que los cambios de color en un derivado del benzoato de colesterilo no eran la característica más peculiar.

Estructura química de la molécula de benzoato de colesterilo

Descubrió que el benzoato de colesterilo no se funde de la misma manera que otros compuestos, pero tiene dos puntos de fusión . A 145,5 ° C (293,9 ° F) se funde en un líquido turbio y a 178,5 ° C (353,3 ° F) se funde de nuevo y el líquido turbio se vuelve transparente. El fenómeno es reversible. Buscando la ayuda de un físico, el 14 de marzo de 1888, escribió a Otto Lehmann , entonces Privatdozent en Aquisgrán . Intercambiaron cartas y muestras. Lehmann examinó el fluido turbio intermedio e informó haber visto cristalitos. El colega vienés de Reinitzer, von Zepharovich, también indicó que el "fluido" intermedio era cristalino. El intercambio de cartas con Lehmann terminó el 24 de abril, con muchas preguntas sin respuesta. Reinitzer presentó sus resultados, con créditos para Lehmann y von Zepharovich, en una reunión de la Sociedad Química de Viena el 3 de mayo de 1888. ^[1]

En ese momento, Reinitzer había descubierto y descrito tres características importantes de los cristales líquidos colestéricos (el nombre acuñado por Otto Lehmann en 1904): la existencia de dos puntos de fusión, el reflejo de la luz polarizada circularmente y la capacidad de rotar la dirección de polarización de luz.

Después de su descubrimiento accidental, Reinitzer no siguió estudiando los cristales líquidos. La investigación fue continuada por Lehmann, quien se dio cuenta de que se había encontrado con un fenómeno nuevo y estaba en condiciones de investigarlo: en sus años postdoctorales había adquirido experiencia en cristalografía y microscopía. Lehmann inició un estudio sistemático, primero del benzoato de colesterilo y luego de los compuestos relacionados que presentaban el fenómeno de doble fusión. Pudo hacer observaciones con luz polarizada y su microscopio estaba equipado con una platina caliente (portamuestras equipado con un calentador) que permitía observaciones a alta temperatura. La fase turbia intermedia claramente sostenía el flujo, pero otras características, en particular la firma bajo un microscopio, convencieron a Lehmann de que se trataba de un sólido.A finales de agosto de 1889 había publicado sus resultados en laZeitschrift für Physikalische Chemie . ^[2]

Otto Lehmann

El trabajo de Lehmann fue continuado y ampliado significativamente por el químico alemán Daniel Vorländer , quien desde principios del siglo XX hasta su jubilación en 1935, había sintetizado la mayoría de los cristales líquidos conocidos. Sin embargo, los cristales líquidos no eran populares entre los científicos y el material siguió siendo una pura curiosidad científica durante unos 80 años. ^[3]

Después de la Segunda Guerra Mundial, el trabajo sobre la síntesis de cristales líquidos se reinició en los laboratorios de investigación universitarios de Europa. George William Gray , un destacado investigador de cristales líquidos, comenzó a investigar estos materiales en Inglaterra a fines de la década de 1940. Su grupo sintetizó muchos materiales nuevos que exhibían el estado cristalino líquido y desarrolló una mejor comprensión de cómo diseñar moléculas que exhiben el estado. Su libro Molecular Structure and the Properties of Liquid Crystals ^{[4] se} convirtió en una guía sobre el tema. Uno de los primeros químicos estadounidenses en estudiar los cristales líquidos fue Glenn H. Brown, comenzando en 1953 en la Universidad de Cincinnati y más tarde en la Universidad Estatal de Kent.. En 1965, organizó la primera conferencia internacional sobre cristales líquidos, en Kent, Ohio, con la asistencia de alrededor de 100 de los principales científicos de cristales líquidos del mundo. Esta conferencia marcó el comienzo de un esfuerzo mundial para realizar investigación en este campo, que pronto condujo al desarrollo de aplicaciones prácticas para estos materiales únicos. ^{[5] [6]}

Los materiales de cristal líquido se convirtieron en un foco de investigación en el desarrollo de pantallas electrónicas de panel plano a partir de 1962 en RCA Laboratories. ^[7] Cuando el químico físico Richard Williams aplicó un campo eléctrico a una capa delgada de un cristal líquido nemático a 125 ° C, observó la formación de un patrón regular al que llamó dominios (ahora conocidos como dominios de Williams). Esto llevó a su colega George H. Heilmeier a realizar una investigación sobre una pantalla plana de cristal líquido para reemplazar el tubo de vacío de rayos catódicos utilizado en los televisores. Pero el para-azoxianisolque Williams y Heilmeier usaron exhibe el estado de cristal líquido nemático solo por encima de 116 ° C, lo que hizo que su uso en un producto de exhibición comercial no fuera práctico. Era evidente que se necesitaba un material que pudiera funcionar a temperatura ambiente.

En 1966, Joel E. Goldmacher y Joseph A. Castellano, químicos investigadores del grupo Heilmeier en RCA, descubrieron que las mezclas hechas exclusivamente de compuestos nemáticos que diferían solo en el número de átomos de carbono en las cadenas laterales terminales podían producir líquido nemático a temperatura ambiente. cristales. Una mezcla ternaria de compuestos base de Schiff resultó en un material que tenía un rango nemático de 22 a 105 ° C. ^{[8] El} funcionamiento a temperatura ambiente permitió fabricar el primer dispositivo de visualización práctico. ^[9] Luego, el equipo procedió a preparar numerosas mezclas de compuestos nemáticos, muchos de los cuales tenían puntos de fusión mucho más bajos. Esta técnica de mezclar compuestos nemáticos para obtener una amplia temperatura de funcionamiento. La gama finalmente se convirtió en el estándar de la industria y todavía se usa para adaptar materiales para cumplir con aplicaciones específicas.

Estructura química de la molécula de N- (4-metoxibencilideno) -4-butilanilina (MBBA)

En 1969, Hans Kelker logró sintetizar una sustancia que tenía una fase nemática a temperatura ambiente, MBBA , que es uno de los temas más populares de la investigación de cristales líquidos. ^[10] El siguiente paso para la comercialización de pantallas de cristal líquido fue la síntesis de otras sustancias químicamente estables (cianobifenilos) con bajas temperaturas de fusión por George Gray . ^[11] Ese trabajo con Ken Harrison y el MOD del Reino Unido ( RRE Malvern ), en 1973, condujo al diseño de nuevos materiales que dieron como resultado una rápida adopción de LCD de área pequeña dentro de los productos electrónicos.

Estas moléculas tienen forma de varilla, algunas se crean en el laboratorio y otras aparecen espontáneamente en la naturaleza. Desde entonces, se han sintetizado dos nuevos tipos de moléculas LC: en forma de disco (por Sivaramakrishna Chandrasekhar en India en 1977) ^[12] y en forma de cono o cuenco (predicho por Lui Lam en China en 1982 y sintetizado en Europa en 1985). ^[13]

En 1991, cuando las pantallas de cristal líquido ya estaban bien establecidas, Pierre-Gilles de Gennes, que trabajaba en la Université Paris-Sud, recibió el Premio Nobel de física "por descubrir que los métodos desarrollados para estudiar los fenómenos de orden en sistemas simples se pueden generalizar a formas más complejas. de materia, en particular a cristales líquidos y polímeros ". ^[14]

Diseño de materiales cristalinos líquidos

Se sabe que un gran número de compuestos químicos exhiben una o varias fases cristalinas líquidas. A pesar de las diferencias significativas en la composición química, estas moléculas tienen algunas características comunes en las propiedades físicas y químicas. Hay tres tipos de cristales líquidos termotrópicos: moléculas discóticas, cónicas (cónicas) y en forma de varilla. Los discóticos son moléculas en forma de disco que consisten en un núcleo plano de anillos aromáticos adyacentes, mientras que el núcleo en un LC cónico no es plano, sino que tiene la forma de un cuenco de arroz (un objeto tridimensional). ^{[15] [16]} Esto permite un ordenamiento columnar bidimensional, para LC tanto discóticos como cónicos. Las moléculas en forma de varilla tienen una geometría anisotrópica alargada que permite una alineación preferencial a lo largo de una dirección espacial.

• La forma molecular debe ser relativamente delgada, plana o cónica, especialmente dentro de estructuras moleculares rígidas.
• La longitud molecular debe ser de al menos 1,3 nm, de acuerdo con la presencia de un grupo alquilo largo en muchos cristales líquidos a temperatura ambiente.
• La estructura no debe ser ramificada ni angular, a excepción del LC cónico.
• Es preferible un punto de fusión bajo para evitar fases cristalinas líquidas monotrópicas metaestables. El comportamiento mesomórfico a baja temperatura en general es tecnológicamente más útil, y los grupos alquilo terminales lo promueven.

Una forma extendida, estructuralmente rígida y altamente anisotrópica parece ser el criterio principal para el comportamiento del cristal líquido y, como resultado, muchos materiales cristalinos líquidos se basan en anillos de benceno. ^[17]

Fases de cristal líquido

Las diversas fases de cristal líquido (llamadas mesofases ) se pueden caracterizar por el tipo de ordenación. Se puede distinguir el orden posicional (si las moléculas están dispuestas en cualquier tipo de red ordenada) y el orden orientacional (si las moléculas apuntan principalmente en la misma dirección), y además el orden puede ser de corto alcance (solo entre moléculas cercanas entre sí) o de largo alcance (que se extiende a dimensiones más grandes, a veces macroscópicas ). La mayoría de las CL termotrópicas tendrán una fase isotrópica a alta temperatura. Es decir, el calentamiento eventualmente los conducirá a una fase líquida convencional caracterizada por un orden molecular aleatorio e isotrópico (poco o ningún orden de largo alcance), y fluidos-como comportamiento de flujo. En otras condiciones (por ejemplo, temperatura más baja), un LC podría habitar una o más fases con una estructura de orientación anisotrópica significativa y un orden de orientación de corto alcance mientras aún tiene la capacidad de fluir. ^{[18] [19]}

El orden de las fases cristalinas líquidas es extenso a escala molecular. Este orden se extiende hasta el tamaño del dominio completo, que puede ser del orden de micrómetros, pero generalmente no se extiende a la escala macroscópica como ocurre a menudo en los sólidos cristalinos clásicos . Sin embargo, algunas técnicas, como el uso de límites o un campo eléctrico aplicado , pueden usarse para hacer cumplir un solo dominio ordenado en una muestra macroscópica de cristal líquido. El orden de orientación en un cristal líquido podría extenderse a lo largo de una sola dimensión , estando el material esencialmente desordenado en las otras dos direcciones. ^{[20] [21]}

Cristales líquidos termotrópicos

Ver también: cristal termotrópico

Las fases termotrópicas son aquellas que ocurren en un cierto rango de temperatura. Si el aumento de temperatura es demasiado alto, el movimiento térmico destruirá el delicado orden cooperativo de la fase LC, empujando el material a una fase líquida isotrópica convencional. A una temperatura demasiado baja, la mayoría de los materiales LC formarán un cristal convencional. ^{[18] [19]} Muchas CL termotrópicas exhiben una variedad de fases a medida que cambia la temperatura. Por ejemplo, al calentar un tipo particular de molécula de LC (llamada mesógeno ) puede presentar varias fases esmécticas seguidas de la fase nemática y finalmente la fase isotrópica a medida que aumenta la temperatura. Un ejemplo de un compuesto que muestra un comportamiento LC termotrópico es el para-azoxianisol . ^[22]

Fase nemática

Ver también: efecto de campo nemático biaxial y nemático retorcido

Alineación en una fase nemática

Transición de fase entre una fase nemática (izquierda) y esméctica A (derecha) observada entre polarizadores cruzados . El color negro corresponde al medio isotrópico.

Una de las fases de CL más comunes es la nemática. La palabra nemática proviene del griego νήμα ( griego : nema ), que significa "hilo". Este término se origina a partir de los defectos topológicos en forma de hilo que se observan en los nemáticos, que se denominan formalmente " disclinaciones ". Los nemáticos también exhiben los llamados defectos topológicos "erizos". En una fase nemática, las moléculas orgánicas calamíticas o en forma de varilla no tienen orden posicional, pero se autoalinean para tener un orden direccional de largo alcance con sus ejes largos aproximadamente paralelos. ^[23]Por lo tanto, las moléculas pueden fluir libremente y sus posiciones de centro de masa se distribuyen aleatoriamente como en un líquido, pero aún mantienen su orden direccional de largo alcance. La mayoría de los nemáticos son uniaxiales: tienen un eje (llamado directriz) que es más largo y preferido, y los otros dos son equivalentes (pueden aproximarse como cilindros o varillas). Sin embargo, algunos cristales líquidos son nemáticos biaxiales , lo que significa que además de orientar su eje largo, también se orientan a lo largo de un eje secundario. ^{[24] Los} nemáticos tienen una fluidez similar a la de los líquidos ordinarios (isotrópicos), pero pueden alinearse fácilmente mediante un campo magnético o eléctrico externo. Los nemáticos alineados tienen las propiedades ópticas de los cristales uniaxiales y esto los hace extremadamente útiles en pantallas de cristal líquido.(LCD). ^[7]

Los científicos han descubierto que los electrones pueden unirse para fluir juntos en campos magnéticos elevados, para crear una forma de materia "nemática electrónica". ^[25]

Fases esmecticas

Esquema de alineación en las fases esmécticas. La fase esméctica A (izquierda) tiene moléculas organizadas en capas. En la fase C esméctica (derecha), las moléculas se inclinan dentro de las capas.

Las fases esmécticas, que se encuentran a temperaturas más bajas que la nemática, forman capas bien definidas que pueden deslizarse unas sobre otras de manera similar a la del jabón. La palabra "esmectic" se origina en la palabra latina "smecticus", que significa limpieza o que tiene propiedades similares al jabón. ^[26] Por lo tanto, los esmecticos se ordenan posicionalmente a lo largo de una dirección. En la fase Smectic A, las moléculas están orientadas a lo largo de la capa normal, mientras que en la fase Smectic C están inclinadas hacia afuera. Estas fases son similares a líquidos dentro de las capas. Hay muchas fases esmécticas diferentes, todas caracterizadas por diferentes tipos y grados de orden posicional y orientacional. ^{[18] [19]}Más allá de las moléculas orgánicas, también se ha informado que el ordenamiento de Smectic ocurre dentro de suspensiones coloidales de materiales bidimensionales o nanoláminas. ^{[27] [28]}

Fases quirales o nemáticas retorcidas

Esquema de ordenación en fases quirales de cristal líquido. La fase nemática quiral (izquierda), también llamada fase colestérica, y la fase esméctica C * (derecha).

La fase nemática quiral exhibe quiralidad (destreza). Esta fase a menudo se denomina fase colestérica porque se observó por primera vez para los derivados del colesterol . Solo moléculas quiralespuede dar lugar a tal fase. Esta fase exhibe una torsión de las moléculas perpendicular al director, con el eje molecular paralelo al director. El ángulo de torsión finito entre moléculas adyacentes se debe a su empaquetamiento asimétrico, lo que da como resultado un orden quiral de mayor rango. En la fase esméctica C * (un asterisco denota una fase quiral), las moléculas tienen un orden posicional en una estructura estratificada (como en las otras fases esmécticas), con las moléculas inclinadas en un ángulo finito con respecto a la capa normal. La quiralidad induce un giro azimutal finito de una capa a la siguiente, produciendo un giro en espiral del eje molecular a lo largo de la capa normal. ^{[19] [20] [21]}

Fase nemática quiral; p se refiere al tono quiral (ver texto)

El tono quiral , p, se refiere a la distancia sobre la cual las moléculas de LC experimentan un giro completo de 360 ​​° (pero tenga en cuenta que la estructura de la fase nemática quiral se repite cada medio tono, ya que en esta fase los directores a 0 ° y ± 180 ° son equivalentes). El tono, p, normalmente cambia cuando se modifica la temperatura o cuando se agregan otras moléculas al anfitrión LC (un material anfitrión LC aquiral formará una fase quiral si se dopa con un material quiral), lo que permite que el tono de un material dado sea sintonizado en consecuencia. En algunos sistemas de cristal líquido, el tono es del mismo orden que la longitud de onda de la luz visible . Esto hace que estos sistemas exhiban propiedades ópticas únicas, como la reflexión de Bragg y el láser de bajo umbral.emisión, ^[29] y estas propiedades se explotan en una serie de aplicaciones ópticas. ^{[3] [20]} Para el caso de la reflexión de Bragg, solo se permite la reflexión de orden más bajo si la luz incide a lo largo del eje helicoidal, mientras que para la incidencia oblicua se permiten las reflexiones de orden superior. Los cristales líquidos colestéricos también exhiben la propiedad única de que reflejan la luz polarizada circularmente cuando incide a lo largo del eje helicoidal y polarizada elípticamente si llega oblicuamente. ^[30]

Una celda plana, llena con un anfitrión LC aquiral dopado con un análogo de base Tröger ópticamente activo, colocado entre un par de polarizadores lineales paralelos (A) y cruzados (B). Esta fase mesogénica dopada forma superestructuras helicoidales autoorganizadas, que permiten que longitudes de onda de luz específicas pasen a través de los polarizadores cruzados y reflejen selectivamente una longitud de onda de luz particular. ^[31]

Las fases azules son fases de cristal líquido que aparecen en el rango de temperatura entre una fase nemática quiral y una fase líquida isotrópica . Las fases azules tienen una estructura cúbica tridimensional regular de defectos con períodos de celosía de varios cientos de nanómetros y, por lo tanto, exhiben reflejos de Bragg selectivos en el rango de longitud de onda de la luz visible correspondiente a la celosía cúbica . Teóricamente se predijo en 1981 que estas fases pueden poseer una simetría icosaédrica similar a los cuasicristales . ^{[32] [33]}

Aunque las fases azules son de interés para los moduladores de luz rápidos o los cristales fotónicos sintonizables , existen en un rango de temperatura muy estrecho, generalmente menos de unos pocos kelvin . Recientemente se ha demostrado la estabilización de las fases azules en un rango de temperatura de más de 60 K, incluida la temperatura ambiente (260–326 K). ^{[34] [35] Las} fases azules estabilizadas a temperatura ambiente permiten la conmutación electroóptica con tiempos de respuesta del orden de 10 ⁻⁴  s. ^[36] En mayo de 2008, se desarrolló el primer panel LCD en modo de fase azul . ^[37]

Los cristales de fase azul, que son una estructura cúbica periódica con una banda prohibida en el rango de longitud de onda visible, pueden considerarse cristales fotónicos 3D . La producción de cristales de fase azul ideal en grandes volúmenes sigue siendo problemática, ya que los cristales producidos suelen ser policristalinos (estructura de plaquetas) o el tamaño de cristal único es limitado (en el rango de micrómetros). Recientemente, las fases azules obtenidas como cristales fotónicos 3D ideales en grandes volúmenes se han estabilizado y producido con diferentes orientaciones controladas de la red cristalina. ^[38]

Fases discoticas

Las moléculas de LC en forma de disco pueden orientarse a sí mismas en forma de capa conocida como fase nemática discótica. Si los discos se empaquetan en pilas, la fase se denomina columnar discótica . Las propias columnas pueden organizarse en formaciones rectangulares o hexagonales. También se conocen fases discóticas quirales, similares a la fase nemática quiral.

Fases cónicas

Las moléculas de LC cónicas, como en las discóticas, pueden formar fases columnares. Se han predicho otras fases, como las fases nemática no polar, nemática polar, frijol hilo, rosquilla y cebolla. Las fases cónicas, excepto la nemática apolar, son fases polares. ^[39]

Cristales líquidos liotrópicos

Ver también: cristal líquido liotrópico y fase columnar

Estructura de cristal líquido liotrópico. Las cabezas rojas de las moléculas de tensioactivo están en contacto con el agua, mientras que las colas están sumergidas en aceite (azul): bicapa (izquierda) y micela (derecha).

Un cristal líquido liotrópico consta de dos o más componentes que exhiben propiedades de cristal líquido en ciertos rangos de concentración. En las fases liotrópicas , las moléculas de disolvente llenan el espacio alrededor de los compuestos para proporcionar fluidez al sistema. ^[40] A diferencia de los cristales líquidos termotrópicos, estos liotrópicos tienen otro grado de libertad de concentración que les permite inducir una variedad de fases diferentes.

Un compuesto que tiene dos partes hidrófilas e hidrófobas inmiscibles dentro de la misma molécula se llama molécula anfifílica . Muchas moléculas anfifílicas muestran secuencias de fase líquida-cristalina liotrópicas dependiendo de los equilibrios de volumen entre la parte hidrófila y la parte hidrófoba. Estas estructuras se forman a través de la segregación en microfases de dos componentes incompatibles a escala nanométrica. El jabón es un ejemplo cotidiano de cristal líquido liotrópico.

El contenido de agua u otras moléculas de disolvente cambia las estructuras autoensambladas. A una concentración de anfifilo muy baja, las moléculas se dispersarán aleatoriamente sin ningún orden. A una concentración ligeramente más alta (pero aún baja), las moléculas anfifílicas se ensamblarán espontáneamente en micelas o vesículas.. Esto se hace para 'ocultar' la cola hidrófoba del anfífilo dentro del núcleo de la micela, exponiendo una superficie hidrófila (soluble en agua) a una solución acuosa. Sin embargo, estos objetos esféricos no se ordenan en solución. A mayor concentración, los conjuntos se ordenarán. Una fase típica es una fase columnar hexagonal, donde los anfífilos forman cilindros largos (nuevamente con una superficie hidrófila) que se organizan en una red aproximadamente hexagonal. A esto se le llama la fase media del jabón. A una concentración aún mayor, se puede formar una fase laminar (fase de jabón puro), en la que láminas extendidas de anfífilos están separadas por finas capas de agua. Para algunos sistemas, puede existir una fase cúbica (también denominada isotrópica viscosa) entre las fases hexagonal y laminar, en la que se forman esferas que crean una densa red cúbica.Estas esferas también pueden estar conectadas entre sí, formando una fase cúbica bicontinua.

Los objetos creados por anfífilos suelen ser esféricos (como en el caso de las micelas), pero también pueden ser en forma de disco (bicelas), en forma de varilla o biaxiales (los tres ejes de las micelas son distintos). Estas nanoestructuras anisotrópicas autoensambladas pueden ordenarse a sí mismas de la misma manera que lo hacen los cristales líquidos termotrópicos, formando versiones a gran escala de todas las fases termotrópicas (como una fase nemática de micelas en forma de varilla).

Para algunos sistemas, a altas concentraciones, se observan fases inversas. Es decir, se puede generar una fase columnar hexagonal inversa (columnas de agua encapsuladas por anfifilos) o una fase micelar inversa (una muestra de cristal líquido a granel con cavidades de agua esféricas).

Una progresión genérica de fases, que va de una concentración de anfifilo baja a una alta, es:

• Fase cúbica discontinua ( fase cúbica micelar )
• Fase hexagonal ( fase columnar hexagonal) (fase media)
• Fase laminar
• Fase cúbica bicontinua
• Fase columnar hexagonal inversa
• Fase cúbica inversa (fase micelar inversa)

Incluso dentro de las mismas fases, sus estructuras autoensambladas son ajustables por la concentración: por ejemplo, en las fases laminares, las distancias de las capas aumentan con el volumen de disolvente. Dado que los cristales líquidos liotrópicos se basan en un sutil equilibrio de interacciones intermoleculares, es más difícil analizar sus estructuras y propiedades que las de los cristales líquidos termotrópicos.

Se pueden observar fases y características similares en copolímeros dibloque inmiscibles .

Cristales líquidos metalotrópicos

Las fases de cristal líquido también pueden basarse en fases inorgánicas de bajo punto de fusión como el ZnCl 2 que tienen una estructura formada por tetraedros enlazados y forman fácilmente vidrios. La adición de moléculas jabonosas de cadena larga conduce a una serie de nuevas fases que muestran una variedad de comportamientos cristalinos líquidos tanto en función de la relación de composición inorgánica-orgánica como de la temperatura. Esta clase de materiales se ha denominado metalotrópico. ^[41]

Análisis de laboratorio de mesofases

Las mesofases termotrópicas se detectan y caracterizan mediante dos métodos principales, el método original era el uso de microscopía óptica térmica, ^{[42] [43]} en el que se colocaba una pequeña muestra del material entre dos polarizadores cruzados; A continuación, la muestra se calentó y se enfrió. Como la fase isotrópica no afectaría significativamente la polarización de la luz, parecería muy oscura, mientras que las fases de cristal y cristal líquido polarizarán la luz de manera uniforme, dando lugar a gradientes de brillo y color. Este método permite la caracterización de la fase particular, ya que las diferentes fases están definidas por su orden particular, el cual debe ser observado. El segundo método, calorimetría diferencial de barrido (DSC), ^[42]permite una determinación más precisa de las transiciones de fase y las entalpías de transición. En DSC, una pequeña muestra se calienta de una manera que genera un cambio de temperatura muy preciso con respecto al tiempo. Durante las transiciones de fase, el flujo de calor requerido para mantener esta tasa de calentamiento o enfriamiento cambiará. Estos cambios se pueden observar y atribuir a varias transiciones de fase, como las transiciones clave de cristal líquido.

Las mesofases liotrópicas se analizan de manera similar, aunque estos experimentos son algo más complejos, ya que la concentración de mesógeno es un factor clave. Estos experimentos se realizan a diversas concentraciones de mesógeno para analizar ese impacto.

Cristales líquidos biológicos

Las fases cristalinas líquidas liotrópicas son abundantes en los sistemas vivos, cuyo estudio se denomina polimorfismo lipídico . En consecuencia, los cristales líquidos liotrópicos atraen una atención especial en el campo de la química biomimética. En particular, las membranas biológicas y las membranas celulares son una forma de cristal líquido. Sus moléculas constituyentes (por ejemplo, fosfolípidos ) son perpendiculares a la superficie de la membrana, pero la membrana es flexible. Estos lípidos varían en forma (consulte la página sobre polimorfismo de lípidos). Las moléculas constituyentes pueden entremezclarse fácilmente, pero tienden a no salir de la membrana debido al alto requerimiento de energía de este proceso. Las moléculas de lípidos pueden pasar de un lado de la membrana al otro, este proceso es catalizado por flippases y floppases (dependiendo de la dirección del movimiento). Estas fases de la membrana de cristal líquido también pueden albergar proteínas importantes tales como receptores que "flotan" libremente dentro o parcialmente fuera de la membrana, por ejemplo, CCT.

Muchas otras estructuras biológicas exhiben un comportamiento de cristal líquido. Por ejemplo, la solución de proteína concentrada que extruye una araña para generar seda es, de hecho, una fase de cristal líquido. El orden preciso de las moléculas en la seda es fundamental para su reconocida fuerza. El ADN y muchos polipéptidos , incluidos los filamentos citoesqueléticos activados, ^[44] también pueden formar fases de cristal líquido. También se ha descrito que las monocapas de células alargadas exhiben un comportamiento de cristal líquido, y los defectos topológicos asociados se han asociado con consecuencias biológicas, incluida la muerte celular y la extrusión. ^[45] Juntas, estas aplicaciones biológicas de los cristales líquidos forman una parte importante de la investigación académica actual.

Cristales líquidos minerales

También se pueden encontrar ejemplos de cristales líquidos en el mundo mineral, la mayoría de ellos liotrópicos. El primero descubierto fue el óxido de vanadio (V) , por Zocher en 1925. ^[46] Desde entonces, pocos otros han sido descubiertos y estudiados en detalle. ^[47] La existencia de una verdadera fase nemática en el caso de la familia de las arcillas esmectitas fue planteada por Langmuir en 1938, ^[48] pero siguió siendo una cuestión abierta durante mucho tiempo y solo se confirmó recientemente. ^{[49] [50]}

Con el rápido desarrollo de las nanociencias y la síntesis de muchas nanopartículas anisotrópicas nuevas, el número de tales cristales líquidos minerales está aumentando rápidamente, con, por ejemplo, nanotubos de carbono y grafeno. Incluso se descubrió una fase lamelar, H ₃ Sb ₃ P ₂ O ₁₄ , que presenta una hiperinflamación de hasta ~ 250 nm para la distancia interlaminar. ^[27]

Formación de patrones en cristales líquidos.

Ver también: formación de patrones

La anisotropía de los cristales líquidos es una propiedad que no se observa en otros fluidos. Esta anisotropía hace que los flujos de cristales líquidos se comporten de manera más diferencial que los de los fluidos ordinarios. Por ejemplo, la inyección de un flujo de un cristal líquido entre dos placas paralelas cercanas ( digitación viscosa ) hace que la orientación de las moléculas se acople con el flujo, con la consiguiente aparición de patrones dendríticos. ^[51] Esta anisotropía también se manifiesta en la energía interfacial ( tensión superficial ) entre diferentes fases de cristal líquido. Esta anisotropía determina la forma de equilibrio a la temperatura de coexistencia, y es tan fuerte que suelen aparecer facetas. Cuando se cambia la temperatura una de las fases crece, formando diferentes morfologías en función del cambio de temperatura.^[52] Dado que el crecimiento está controlado por difusión de calor, la anisotropía en la conductividad térmica favorece el crecimiento en direcciones específicas, lo que también tiene un efecto sobre la forma final. ^[53]

Tratamiento teórico de cristales líquidos

El tratamiento teórico microscópico de las fases fluidas puede volverse bastante complicado debido a la alta densidad del material, lo que significa que no se pueden ignorar las interacciones fuertes, las repulsiones de núcleo duro y las correlaciones de muchos cuerpos. En el caso de los cristales líquidos, la anisotropía en todas estas interacciones complica aún más el análisis. Sin embargo, existen varias teorías bastante simples que pueden al menos predecir el comportamiento general de las transiciones de fase en los sistemas de cristal líquido.

Director

Como ya vimos anteriormente, los cristales líquidos nemáticos están compuestos por moléculas en forma de varilla con los ejes largos de las moléculas vecinas alineadas aproximadamente entre sí. Para describir esta estructura anisotrópica , se introduce un vector unitario adimensional n llamado director , para representar la dirección de orientación preferida de las moléculas en la vecindad de cualquier punto. Debido a que no hay polaridad física a lo largo del eje director, n y -n son totalmente equivalentes. ^[19]

Parámetro de orden

El director nemático local , que también es el eje óptico local , viene dado por el promedio espacial y temporal de los ejes moleculares largos.

La descripción de los cristales líquidos implica un análisis de orden. Un parámetro de orden de tensor sin trazas simétrico de segundo rango se utiliza para describir el orden de orientación de un cristal líquido nemático, aunque un parámetro de orden escalar suele ser suficiente para describir cristales líquidos nemáticos uniaxiales. Para hacer esto cuantitativo, generalmente se define un parámetro de orden de orientación basado en el promedio del segundo polinomio de Legendre :

${\displaystyle S=\langle P_{2}(\cos \theta )\rangle =\left\langle {\frac {3\cos ^{2}(\theta )-1}{2}}\right\rangle }$

donde es el ángulo entre el eje molecular del cristal líquido y el director local (que es la "dirección preferida" en un elemento de volumen de una muestra de cristal líquido, que también representa su eje óptico local ). Los corchetes denotan un promedio temporal y espacial. Esta definición es conveniente, ya que para una muestra completamente aleatoria e isótropa, S  = 0, mientras que para una muestra perfectamente alineada S = 1. Para una muestra típica de cristal líquido, S es del orden de 0,3 a 0,8 y generalmente disminuye a medida que aumenta la temperatura. En particular, se observa una fuerte caída del parámetro de orden a 0 cuando el sistema experimenta una transición de fase de una fase LC a la fase isotrópica. ^[54]${\displaystyle \theta }$El parámetro de orden se puede medir experimentalmente de varias formas; por ejemplo, el diamagnetismo , la birrefringencia , la dispersión Raman , la RMN y la EPR se pueden utilizar para determinar S. ^[21]

El orden de un cristal líquido también podría caracterizarse mediante el uso de otros polinomios pares de Legendre (todos los polinomios impares tienen un promedio de cero, ya que el director puede apuntar en cualquiera de las dos direcciones antiparalelas). Estos promedios de orden superior son más difíciles de medir, pero pueden proporcionar información adicional sobre el orden molecular. ^[18]

Un parámetro de orden posicional también se utiliza para describir el orden de un cristal líquido. Se caracteriza por la variación de la densidad del centro de masa de las moléculas de cristal líquido a lo largo de un vector dado. En el caso de variación posicional a lo largo del eje z, la densidad suele estar dada por:${\displaystyle \rho (z)}$

${\displaystyle \rho (\mathbf {r} )=\rho (z)=\rho _{0}+\rho _{1}\cos(q_{s}z-\varphi )+\cdots \,}$

El parámetro de orden posicional complejo se define como y la densidad media. Por lo general, solo se mantienen los dos primeros términos y se ignoran los términos de orden superior, ya que la mayoría de las fases se pueden describir adecuadamente utilizando funciones sinusoidales. Para una nemática perfecta y para una fase esméctica se adquirirán valores complejos. La naturaleza compleja de este parámetro de orden permite muchos paralelos entre las transiciones de fase nemática a esméctica y las transiciones de conductor a superconductor. ^[19]${\displaystyle \psi (\mathbf {r} )=\rho _{1}(\mathbf {r} )e^{i\varphi (\mathbf {r} )}}$${\displaystyle \rho _{0}}$${\displaystyle \psi =0}$${\displaystyle \psi }$

Modelo de varilla dura Onsager

Problema sin resolver en física :

¿Puede la transición de fase nemática a esméctica (A) en estados de cristal líquido caracterizarse como una transición de fase universal ?

(más problemas sin resolver en física)

Un modelo simple que predice las transiciones de fase liotrópica es el modelo de barra dura propuesto por Lars Onsager . Esta teoría considera el volumen excluido del centro de masa de un cilindro idealizado cuando se acerca a otro. Específicamente, si los cilindros están orientados paralelos entre sí, hay muy poco volumen que se excluye del centro de masa del cilindro que se aproxima (puede acercarse bastante al otro cilindro). Sin embargo, si los cilindros están en algún ángulo entre sí, entonces hay un gran volumen alrededor del cilindro en el que el centro de masa del cilindro que se aproxima no puede entrar (debido a la repulsión de varilla dura entre los dos objetos idealizados). Por lo tanto, esta disposición angular ve una disminución en la entropía posicional netadel cilindro que se aproxima (hay menos estados disponibles). ^{[55] [56]}

La idea fundamental aquí es que, mientras que las disposiciones paralelas de objetos anisotrópicos conducen a una disminución de la entropía de orientación, hay un aumento de la entropía posicional. Por tanto, en algún caso, un orden posicional mayor será entrópicamente favorable. Por tanto, esta teoría predice que una solución de objetos en forma de varilla se someterá a una transición de fase, con una concentración suficiente, a una fase nemática. Aunque este modelo es conceptualmente útil, su formulación matemática hace varios supuestos que limitan su aplicabilidad a sistemas reales. ^[56]

Teoría del campo medio de Maier-Saupe

Esta teoría estadística, propuesta por Alfred Saupe y Wilhelm Maier, incluye contribuciones de un atractivo potencial intermolecular de un momento dipolar inducido entre moléculas de cristal líquido adyacentes en forma de varilla. La atracción anisotrópica estabiliza la alineación paralela de moléculas vecinas, y la teoría luego considera un promedio de campo medio de la interacción. Resuelta de manera autoconsistente, esta teoría predice transiciones de fase termotrópica nemático-isotrópica, consistente con el experimento. ^{[57] [58] [59] La} teoría del campo medio de Maier-Saupe se extiende a los cristales líquidos de alto peso molecular incorporando la rigidez a la flexión de las moléculas y utilizando el método deintegrales de trayectoria en la ciencia de los polímeros . ^[60]

El modelo de McMillan

El modelo de McMillan, propuesto por William McMillan, ^[61] es una extensión de la teoría del campo medio de Maier-Saupe utilizada para describir la transición de fase de un cristal líquido de una fase A nemática a una esméctica. Predice que la transición de fase puede ser continua o discontinua dependiendo de la fuerza de la interacción de corto alcance entre las moléculas. Como resultado, permite un triple punto crítico donde se encuentran las fases A nemática, isotrópica y esméctica. Aunque predice la existencia de un triple punto crítico, no predice con éxito su valor. El modelo utiliza dos parámetros de orden que describen el orden de orientación y posición del cristal líquido. El primero es simplemente el promedio del segundo polinomio de Legendre y el parámetro de segundo orden viene dado por:

${\displaystyle \sigma =\left\langle \cos \left({\frac {2\pi z_{i}}{d}}\right)\left({\frac {3}{2}}\cos ^{2}\left(\theta _{i}\right)-{\frac {1}{2}}\right)\right\rangle }$

Los valores z _i , θ _i y d son la posición de la molécula, el ángulo entre el eje molecular y el director, y el espaciado de las capas. La energía potencial postulada de una sola molécula viene dada por:

${\displaystyle U_{i}(\theta _{i},z_{i})=-U_{0}\left(S+\alpha \sigma \cos \left({\frac {2\pi z_{i}}{d}}\right)\right)\left({\frac {3}{2}}\cos ^{2}\left(\theta _{i}\right)-{\frac {1}{2}}\right)}$

Aquí la constante α cuantifica la fuerza de la interacción entre moléculas adyacentes. Luego, el potencial se usa para derivar las propiedades termodinámicas del sistema asumiendo el equilibrio térmico. Da como resultado dos ecuaciones de autoconsistencia que deben resolverse numéricamente, cuyas soluciones son las tres fases estables del cristal líquido. ^[21]

Teoría del continuo elástico

En este formalismo, un material de cristal líquido se trata como un continuo; los detalles moleculares se ignoran por completo. Más bien, esta teoría considera las perturbaciones de una muestra supuestamente orientada. Las distorsiones del cristal líquido se describen comúnmente mediante la densidad de energía libre de Frank . Se pueden identificar tres tipos de distorsiones que podrían ocurrir en una muestra orientada: (1) torsiones del material, donde las moléculas vecinas se ven obligadas a formar un ángulo entre sí, en lugar de alinearse; (2) extensión del material, donde la flexión ocurre perpendicular al director; y (3) doblardel material, donde la distorsión es paralela al director y al eje molecular. Estos tres tipos de distorsiones incurren en una penalización energética. Son distorsiones que son inducidas por las condiciones de contorno en las paredes del dominio o el contenedor circundante. La respuesta del material puede luego descomponerse en términos basados ​​en las constantes elásticas correspondientes a los tres tipos de distorsiones. La teoría del continuo elástico es una herramienta eficaz para modelar dispositivos de cristal líquido y bicapas lipídicas. ^{[62] [63]}

Influencias externas sobre los cristales líquidos.

Los científicos e ingenieros pueden usar cristales líquidos en una variedad de aplicaciones porque la perturbación externa puede causar cambios significativos en las propiedades macroscópicas del sistema de cristal líquido. Se pueden utilizar campos eléctricos y magnéticos para inducir estos cambios. La magnitud de los campos, así como la velocidad a la que se alinean las moléculas, son características importantes con las que se ocupa la industria. Se pueden utilizar tratamientos especiales de superficie en dispositivos de cristal líquido para forzar orientaciones específicas del director.

Efectos del campo eléctrico y magnético.

La capacidad del director para alinearse a lo largo de un campo externo es causada por la naturaleza eléctrica de las moléculas. Los dipolos eléctricos permanentes resultan cuando un extremo de una molécula tiene una carga neta positiva mientras que el otro extremo tiene una carga neta negativa. Cuando se aplica un campo eléctrico externo al cristal líquido, las moléculas dipolo tienden a orientarse a lo largo de la dirección del campo. ^[64]

Incluso si una molécula no forma un dipolo permanente, todavía puede verse influenciada por un campo eléctrico. En algunos casos, el campo produce una ligera reordenación de electrones y protones en moléculas de modo que se produce un dipolo eléctrico inducido. Aunque no es tan fuerte como los dipolos permanentes, todavía se produce la orientación con el campo externo.

La respuesta de cualquier sistema a un campo eléctrico externo es

${\displaystyle D_{i}=\epsilon _{0}E_{i}+P_{i}}$

donde , y son los componentes del campo eléctrico, el campo de desplazamiento eléctrico y la densidad de polarización. La energía eléctrica por volumen almacenado en el sistema es${\displaystyle E_{i}}$${\displaystyle D_{i}}$${\displaystyle P_{i}}$

${\displaystyle f_{\text{elec}}=-{\frac {1}{2}}D_{i}E_{i}}$

(suma sobre el índice de doble aparición ). En los cristales líquidos nemáticos, la polarización y el desplazamiento eléctrico dependen linealmente de la dirección del campo eléctrico. La polarización debe ser uniforme en el director ya que los cristales líquidos son invariantes bajo reflejos de . La forma más general de expresar es${\displaystyle i}$${\displaystyle n}$${\displaystyle D}$

${\displaystyle D_{i}=\epsilon _{0}\epsilon _{\bot }E_{i}+\left(\epsilon _{\parallel }-\epsilon _{\bot }\right)n_{i}n_{j}E_{j}}$

(suma sobre el índice ) con y la permitividad eléctrica paralela y perpendicular al director . Entonces la densidad de energía es (ignorando los términos constantes que no contribuyen a la dinámica del sistema) ^[65]${\displaystyle j}$${\displaystyle \epsilon _{\bot }}$${\displaystyle \epsilon _{\parallel }}$${\displaystyle n}$

${\displaystyle f_{\text{elec}}=-{\frac {1}{2}}\epsilon _{0}\left(\epsilon _{\parallel }-\epsilon _{\bot }\right)\left(E_{i}n_{i}\right)^{2}}$

(resumen terminado ). Si es positivo, entonces el mínimo de energía se alcanza cuando y son paralelos. Esto significa que el sistema favorecerá la alineación del cristal líquido con el campo eléctrico aplicado externamente. Si es negativo, entonces el mínimo de energía se alcanza cuando y son perpendiculares (en nemática la orientación perpendicular se degenera, posibilitando la aparición de vórtices ^[66] ).${\displaystyle i}$${\displaystyle \epsilon _{\parallel }-\epsilon _{\bot }}$${\displaystyle E}$${\displaystyle n}$${\displaystyle \epsilon _{\parallel }-\epsilon _{\bot }}$${\displaystyle E}$${\displaystyle n}$

La diferencia se llama anisotropía dieléctrica y es un parámetro importante en las aplicaciones de cristal líquido. Existen tanto y comerciales cristales líquidos. La mezcla de cristal líquido 5CB y E7 son dos cristales líquidos de uso común. MBBA es un cristal líquido común .${\displaystyle \Delta \epsilon =\epsilon _{\parallel }-\epsilon _{\bot }}$${\displaystyle \Delta \epsilon >0}$${\displaystyle \Delta \epsilon <0}$${\displaystyle \Delta \epsilon >0}$${\displaystyle \Delta \epsilon <0}$

Los efectos de los campos magnéticos sobre las moléculas de cristal líquido son análogos a los de los campos eléctricos. Debido a que los campos magnéticos son generados por cargas eléctricas en movimiento, los dipolos magnéticos permanentes son producidos por electrones que se mueven alrededor de los átomos. Cuando se aplica un campo magnético, las moléculas tenderán a alinearse con o contra el campo. La radiación electromagnética, por ejemplo, luz UV-visible, puede influir en los cristales líquidos sensibles a la luz que portan principalmente al menos una unidad fotoconmutable. ^[67]

Preparaciones de superficie

En ausencia de un campo externo, el director de un cristal líquido es libre de apuntar en cualquier dirección. Sin embargo, es posible obligar al director a apuntar en una dirección específica mediante la introducción de un agente externo al sistema. Por ejemplo, cuando se extiende una fina capa de polímero (normalmente una poliimida) sobre un sustrato de vidrio y se frota en una sola dirección con un paño, se observa que las moléculas de cristal líquido en contacto con esa superficie se alinean con la dirección de frotamiento. Se cree que el mecanismo actualmente aceptado para esto es un crecimiento epitaxial de las capas de cristal líquido en las cadenas de polímero parcialmente alineadas en las capas superficiales cercanas de la poliimida.

Varios productos químicos de cristal líquido también se alinean con una "superficie de comando" que, a su vez, está alineada por un campo eléctrico de luz polarizada. Este proceso se llama fotoalineación .

Transición de Fredericks

La competencia entre la orientación producida por el anclaje superficial y los efectos del campo eléctrico a menudo se explota en los dispositivos de cristal líquido. Considere el caso en el que las moléculas de cristal líquido se alinean paralelas a la superficie y se aplica un campo eléctrico perpendicular a la celda. Al principio, a medida que aumenta la magnitud del campo eléctrico, no se produce ningún cambio en la alineación. Sin embargo, en una magnitud umbral de campo eléctrico, se produce una deformación. La deformación ocurre cuando el director cambia su orientación de una molécula a la siguiente. La ocurrencia de tal cambio de un estado alineado a uno deformado se llama transición de Fredericks y también puede producirse mediante la aplicación de un campo magnético de fuerza suficiente.

La transición de Fredericks es fundamental para el funcionamiento de muchas pantallas de cristal líquido porque la orientación del director (y por lo tanto las propiedades) se pueden controlar fácilmente mediante la aplicación de un campo.

Efecto de la quiralidad

Como ya se ha descrito, las moléculas de cristal líquido quirales suelen dar lugar a mesofases quirales. Esto significa que la molécula debe poseer alguna forma de asimetría, generalmente un centro estereogénico . Un requisito adicional es que el sistema no sea racémico : una mezcla de moléculas diestras y zurdas cancelará el efecto quiral. Sin embargo, debido a la naturaleza cooperativa de la ordenación de cristales líquidos, una pequeña cantidad de dopante quiral en una mesofase que de otro modo sería aquiral es a menudo suficiente para seleccionar un dominio de destreza, haciendo que el sistema sea quiral en general.

Las fases quirales suelen tener una torsión helicoidal de las moléculas. Si el tono de este giro es del orden de la longitud de onda de la luz visible, se pueden observar interesantes efectos de interferencia óptica. La torsión quiral que ocurre en las fases quirales de LC también hace que el sistema responda de manera diferente a la luz polarizada circularmente a la derecha ya la izquierda. Por tanto, estos materiales se pueden utilizar como filtros de polarización . ^[68]

Es posible que las moléculas de LC quirales produzcan mesofases esencialmente aquirales. Por ejemplo, en ciertos rangos de concentración y peso molecular , el ADN formará una fase hexática de línea aquiral. Una observación reciente interesante es la formación de mesofases quirales a partir de moléculas LC aquirales. Específicamente, se ha demostrado que las moléculas de núcleo doblado (a veces llamadas cristales líquidos de plátano) forman fases de cristal líquido que son quirales. ^[69]En cualquier muestra particular, varios dominios tendrán sentido contrario, pero dentro de cualquier dominio dado, estará presente un fuerte orden quiral. El mecanismo de aparición de esta quiralidad macroscópica aún no está del todo claro. Parece que las moléculas se apilan en capas y se orientan de manera inclinada dentro de las capas. Estas fases de cristales líquidos pueden ser ferroeléctricas o anti-ferroeléctricas, siendo ambas de interés para aplicaciones. ^{[70] [71]}

La quiralidad también se puede incorporar en una fase mediante la adición de un dopante quiral , que puede que no forme LC por sí mismo. Las mezclas nemáticas retorcidas o nemáticas súper retorcidas a menudo contienen una pequeña cantidad de tales dopantes.

Aplicaciones de cristales líquidos

Ver también: Pantalla de cristal líquido

Estructura de la pantalla de cristal líquido: 1 - filtro de polarización vertical, 2, 4 - vidrio con electrodos, 3 - cristales líquidos, 5 - filtro de polarización horizontal, 6 - reflector

"Wikipedia" se muestra en una pantalla LCD

Los cristales líquidos encuentran un amplio uso en las pantallas de cristal líquido, que se basan en las propiedades ópticas de ciertas sustancias cristalinas líquidas en presencia o ausencia de un campo eléctrico . En un dispositivo típico, una capa de cristal líquido (normalmente de 4 μm de espesor) se encuentra entre dos polarizadores cruzados (orientados a 90 ° entre sí). La alineación del cristal líquido se elige de modo que su fase relajada sea torcida (ver Efecto de campo nemático torcido ). ^[7]Esta fase retorcida reorienta la luz que ha pasado a través del primer polarizador, permitiendo su transmisión a través del segundo polarizador (y reflejada al observador si se proporciona un reflector). Por tanto, el dispositivo parece transparente. Cuando se aplica un campo eléctrico a la capa de LC, los ejes moleculares largos tienden a alinearse en paralelo al campo eléctrico, desenroscándose gradualmente en el centro de la capa de cristal líquido. En este estado, las moléculas de LC no reorientan la luz, por lo que la luz polarizada en el primer polarizador se absorbe en el segundo polarizador y el dispositivo pierde transparencia al aumentar el voltaje. De esta manera, el campo eléctrico se puede utilizar para hacer un cambio de píxel entre transparente u opaco a la orden. Los sistemas LCD en color utilizan la misma técnica, con filtros de color utilizados para generar píxeles rojos, verdes y azules.^[7] Los cristales líquidos quirales esmécticos se utilizan en pantallas LCD ferroeléctricas que son moduladores de luz binarios de conmutación rápida. Se pueden utilizar principios similares para fabricar otros dispositivos ópticos basados ​​en cristal líquido. ^[72]

Los filtros sintonizables de cristal líquido se utilizan como dispositivos electroópticos , ^{[73] [74]} por ejemplo, en imágenes hiperespectrales .

Los LC quirales termotrópicos cuyo tono varía mucho con la temperatura se pueden utilizar como termómetros de cristal líquido en bruto , ya que el color del material cambiará a medida que cambie el tono. Las transiciones de color de cristal líquido se utilizan en muchos termómetros de acuarios y piscinas, así como en termómetros para bebés o baños. ^[75] Otros materiales de cristal líquido cambian de color cuando se estiran o estresan. Por lo tanto, las láminas de cristal líquido se utilizan a menudo en la industria para buscar puntos calientes, mapear el flujo de calor, medir patrones de distribución de tensión, etc. El cristal líquido en forma fluida se utiliza para detectar puntos calientes generados eléctricamente para el análisis de fallas en la industria de los semiconductores . ^[76]

Las lentes de cristal líquido convergen o divergen de la luz incidente ajustando el índice de refracción de la capa de cristal líquido con el voltaje o la temperatura aplicados. Generalmente, las lentes de cristal líquido generan una distribución del índice de refracción parabólico disponiendo las orientaciones moleculares. Por lo tanto, una onda plana se transforma en un frente de onda parabólico mediante una lente de cristal líquido. La distancia focal de las lentes de cristal líquido se puede ajustar continuamente cuando el campo eléctrico externo se puede ajustar correctamente. Las lentes de cristal líquido son una especie de óptica adaptativa . El sistema de imágenes se puede beneficiar con la corrección de enfoque, el ajuste del plano de la imagen o el cambio del rango de profundidad de campo o profundidad de enfoque.. La lente de cristal líquido es uno de los candidatos para desarrollar un dispositivo de corrección de la visión para ojos con miopía y presbicia (por ejemplo, anteojos sintonizables y lentes de contacto inteligentes). ^{[77] [78]} Al ser un modulador de fase óptica , una lente de cristal líquido presenta una longitud de trayectoria óptica variable en el espacio (es decir, la longitud de trayectoria óptica en función de la coordenada de su pupila). En diferentes sistemas de imágenes, la función requerida de la longitud del camino óptico varía de una a otra. Por ejemplo, para hacer converger una onda plana en un punto de difracción limitada, para una estructura de cristal líquido físicamente plana, el índice de refracción de la capa de cristal líquido debe ser esférico o paraboloidal bajoaproximación paraxial . En cuanto a la proyección de imágenes o la detección de objetos, se puede esperar que la lente de cristal líquido tenga una distribución asférica de la longitud del camino óptico a través de su apertura de interés. Las lentes de cristal líquido con índice de refracción sintonizable eléctricamente (al abordar la diferente magnitud del campo eléctrico en la capa de cristal líquido) tienen potencial para lograr una función arbitraria de la longitud del camino óptico para modular el frente de onda entrante; Los elementos ópticos de forma libre de cristal líquido actuales se extendieron a partir de lentes de cristal líquido con los mismos mecanismos ópticos. ^[79] Las aplicaciones de las lentes de cristales líquidos incluyen picoproyectores, lentes de prescripción (anteojos o lentes de contacto), cámara de teléfono inteligente, realidad aumentada, realidad virtual, etc.

Los láseres de cristal líquido utilizan un cristal líquido en el medio láser como mecanismo de retroalimentación distribuida en lugar de espejos externos. La emisión en una banda prohibida fotónica creada por la estructura dieléctrica periódica del cristal líquido proporciona un dispositivo de alto rendimiento de umbral bajo con emisión monocromática estable. ^{[29] [80]}

Las láminas y rollos de cristal líquido disperso de polímero (PDLC) están disponibles como película inteligente con respaldo adhesivo que se puede aplicar a las ventanas y cambiar eléctricamente entre transparente y opaco para brindar privacidad.

Muchos fluidos comunes, como el agua con jabón , son de hecho cristales líquidos. El jabón forma una variedad de fases LC dependiendo de su concentración en agua. ^[81]

Las películas de cristal líquido han revolucionado el mundo de la tecnología. Actualmente se utilizan en los más diversos dispositivos, como relojes digitales, teléfonos móviles, calculadoras y televisores. Puede ser posible el uso de películas de cristal líquido en dispositivos de memoria óptica, con un proceso similar a la grabación y lectura de CD y DVD. ^{[82] [83]}

Ver también

• Nemático biaxial
• Fase columnar
• Clasificación de LCD
• Pantalla de cristal líquido  : pantalla que utiliza las propiedades de modulación de la luz de los cristales líquidos
• Cristal líquido sobre silicio
• Polímero de cristal líquido  : clase de polímeros extremadamente no reactivos, inertes y resistentes al fuego
• Filtro sintonizable de cristal líquido
• Cristal líquido liotrópico
• Formación de patrones  : estudio de cómo se forman los patrones por autoorganización en la naturaleza.
• Cristal de plastico
• Lentes inteligentes
• Termocromismo  : propiedad de las sustancias para cambiar de color debido a un cambio de temperatura
• Cristal termotrópico
• Efecto de campo nemático retorcido
• Nematicon
• Termómetro de cristal líquido
• Anillo de humor  : un anillo que contiene un elemento termocrómico,
• Fluido activo

Referencias

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enlaces externos

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Cristal líquido .

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• Grupo de Cristales Líquidos y Fotónica - Universidad de Gante (Bélgica) , buen tutorial
• Simulación de la propagación de la luz en cristales líquidos , programa gratuito
• Liquid Crystals Interactive en línea
• Instituto de Cristal Líquido de la Universidad Estatal de Kent
• Liquid Crystals un diario de Taylor & Francis
• Cristales moleculares y cristales líquidos un diario de Taylor & Francis
• Técnicas de detección de puntos calientes para circuitos integrados
• ¿Qué son los cristales líquidos? de la Universidad Tecnológica de Chalmers, Suecia
• Progreso en la química de los cristales líquidos Serie temática en el Beilstein Journal of Organic Chemistry de acceso abierto
• Paquete de enseñanza y aprendizaje DoITPoMS: "Cristales líquidos"
• Cristal líquido Bowlic de la Universidad Estatal de San José
• Calibración de fase de un modulador espacial de luz