Cristal liquido

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

Textura Schlieren de la fase nemática de cristal líquido.

El cristal líquido ( LC ) es un estado de la materia cuyas propiedades se encuentran 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 en una dirección común como en un sólido. Existen muchos tipos de fases LC , que se pueden distinguir por sus propiedades ópticas (como las texturas ). Las texturas contrastantes surgen debido a que las moléculas dentro de un área del material ("dominio") están orientadas en la misma dirección pero diferentes áreas tienen diferentes orientaciones. Es posible que un material LC no siempre se encuentre en un estado de materia LC (al igual que el agua puede ser hielo o vapor de agua).

Los cristales líquidos se pueden dividir en tres tipos principales: termotrópicos , liotrópicos y metalotrópicos. Los cristales líquidos termotrópicos y liotrópicos están formados principalmente por moléculas orgánicas , aunque también se conocen algunos minerales. Las LC termotrópicas exhiben una transición de fase a la fase LC a medida que cambia la temperatura. Las LC liotrópicas exhiben transiciones de fase en función tanto de la temperatura como de la concentración de moléculas en un disolvente (normalmente agua). Las LC metalotrópicas están compuestas de moléculas tanto orgánicas como inorgánicas; su transición LC depende además de la relación de composición inorgánica-orgánica.

Existen ejemplos de LC tanto en el mundo natural como en aplicaciones tecnológicas. Las LC liotrópicas abundan en los sistemas vivos; Muchas proteínas y membranas celulares son LC, así como el virus del mosaico del tabaco . Las LC en el mundo mineral incluyen soluciones de jabón y varios detergentes relacionados , y algunas arcillas . Las pantallas de cristal líquido (LCD) muy extendidas utilizan cristales líquidos.

Historia

En 1888, el fisiólogo botánico austriaco Friedrich Reinitzer , que trabajaba en la Universidad Karl-Ferdinands , 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 fenómeno nuevo. Reinitzer se dio cuenta de 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, sino que tiene dos puntos de fusión . A 145,5 °C (293,9 °F) se funde formando un líquido turbio, y a 178,5 °C (353,3 °F) se funde nuevamente y el líquido turbio se vuelve claro. El fenómeno es reversible. Buscando ayuda de un físico, el 14 de marzo de 1888 escribió a Otto Lehmann , en aquel momento 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 finalizó el 24 de abril, con muchas preguntas sin respuesta. Reinitzer presentó sus resultados, con créditos a 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 (nombre acuñado por Otto Lehmann en 1904): la existencia de dos puntos de fusión, la reflexión 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. Lehmann continuó la investigación y se dio cuenta de que se había topado 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 colesterol y luego de 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, particularmente la firma bajo el microscopio, convencieron a Lehmann de que se trataba de un sólido. A finales de agosto de 1889 había publicado sus resultados en el Zeitschrift 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, se reiniciaron los trabajos de síntesis de cristales líquidos en los laboratorios de investigación de las universidades europeas. George William Gray , un destacado investigador de los cristales líquidos, comenzó a investigar estos materiales en Inglaterra a finales de los años 1940. Su grupo sintetizó muchos materiales nuevos que exhibían el estado cristalino líquido y desarrolló una mejor comprensión de cómo diseñar moléculas que exhiban ese 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 posteriormente en la Universidad Estatal de Kent . En 1965, organizó la primera conferencia internacional sobre cristales líquidos, en Kent, Ohio, a la que asistieron alrededor de 100 de los mejores científicos de cristales líquidos del mundo. Esta conferencia marcó el comienzo de un esfuerzo mundial para realizar investigaciones 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 pantalla plana a partir de 1962 en los Laboratorios RCA . ^[7] Cuando el químico físico Richard Williams aplicó un campo eléctrico a una fina capa de un cristal líquido nemático a 125 °C, observó la formación de un patrón regular al que llamó dominios (ahora conocido como dominios de Williams). Esto llevó a su colega George H. Heilmeier a realizar una investigación sobre una pantalla plana a base de cristal líquido para reemplazar el tubo de vacío de rayos catódicos utilizado en los televisores. Pero el paraazoxianisol que utilizaron Williams y Heilmeier exhibe el estado de cristal líquido nemático sólo por encima de 116 °C, lo que hizo poco práctico su uso en un producto de exhibición comercial. 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 de RCA, descubrieron que mezclas hechas exclusivamente de compuestos nemáticos que diferían sólo en el número de átomos de carbono en las cadenas laterales terminales podían producir un líquido nemático a temperatura ambiente. cristales. Una mezcla ternaria de compuestos base de Schiff dio como resultado 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 un amplio rango de temperaturas de funcionamiento finalmente se convirtió en el estándar de la industria y todavía se utiliza para adaptar materiales para satisfacer 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, la N-(4-metoxibencilideno)-4-butilanilina (MBBA), que es uno de los temas más populares de la investigación sobre cristales líquidos. ^[10] El siguiente paso en la comercialización de pantallas de cristal líquido fue la síntesis de otras sustancias químicamente estables (cianobifenilos) con bajas temperaturas de fusión por parte de 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 resultaron en la rápida adopción de pantallas LCD de área pequeña dentro de productos electrónicos.

Estas moléculas tienen forma de bastón, algunas se crean en el laboratorio y otras aparecen espontáneamente en la naturaleza. Desde entonces, se han sintetizado dos nuevos tipos de moléculas de LC: con forma de disco (por Sivaramakrishna Chandrasekhar en India en 1977) ^[12] y con forma de cono o cuenco (predicha por Lui Lam en China en 1982 y sintetizada 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 Universidad Paris-Sud, recibió el Premio Nobel de Física "por descubrir que los métodos desarrollados para estudiar los fenómenos de orden en sistemas simples pueden generalizarse 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 presentan una o varias fases cristalinas líquidas. A pesar de diferencias significativas en la composición química, estas moléculas tienen algunas características comunes en las propiedades químicas y físicas. Hay tres tipos de cristales líquidos termotrópicos: moléculas discóticas, cónicas (bólicas) y en forma de varilla. Los discóticos son moléculas en forma de disco que constan de un núcleo plano de anillos aromáticos adyacentes, mientras que el núcleo de un LC cónico no es plano, sino que tiene forma de cuenco de arroz (un objeto tridimensional). ^{[15] [16]} Esto permite el ordenamiento de columnas bidimensionales, tanto para LC discóticas como cónicas. 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, lo que coincide con la presencia de un grupo alquilo largo en muchos cristales líquidos a temperatura ambiente.
• La estructura no debe ser ramificada ni angular, excepto la LC cónica.
• Es preferible un punto de fusión bajo para evitar fases cristalinas líquidas monotrópicas y metaestables. El comportamiento mesomórfico a baja temperatura en general es tecnológicamente más útil y los grupos alquil terminales lo promueven.

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

Fases de cristal líquido

Las distintas fases de los cristales líquidos (llamadas mesofases junto con las fases de los cristales plásticos ) se pueden caracterizar por el tipo de ordenamiento. Se puede distinguir el orden posicional (si las moléculas están dispuestas en algún tipo de red ordenada) y el orden orientacional (si las moléculas apuntan en su mayoría en la misma dirección). Los cristales líquidos se caracterizan por un orden de orientación, pero un orden de posición sólo parcial o completamente ausente. Por el contrario, los materiales con orden posicional pero sin orden orientativo se conocen como cristales plásticos . ^[18] La mayoría de los LC termotrópicos tendrán una fase isotrópica a alta temperatura: el calentamiento eventualmente los conducirá a una fase líquida convencional caracterizada por un orden molecular aleatorio e isotrópico y un comportamiento de flujo similar al de un fluido . 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 sin dejar de tener la capacidad de fluir. ^{[19] [20]}

El orden de los cristales líquidos se extiende hasta todo el tamaño del dominio, que puede ser del orden de micrómetros, pero normalmente no a la escala macroscópica como suele ocurrir en los sólidos cristalinos clásicos . Sin embargo , se pueden utilizar algunas técnicas, como el uso de límites o un campo eléctrico aplicado, para imponer un dominio ordenado único en una muestra de cristal líquido macroscópica. ^[21] El orden de orientación en un cristal líquido podría extenderse a lo largo de solo una dimensión , estando el material esencialmente desordenado en las otras dos direcciones. ^{[22] [23]}

Cristales líquidos termotrópicos

Las fases termotrópicas son aquellas que se dan en un determinado 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 temperaturas demasiado bajas, la mayoría de los materiales LC formarán un cristal convencional. ^{[19] [20]} Muchas LC termotrópicas exhiben una variedad de fases a medida que cambia la temperatura. Por ejemplo, un tipo particular de molécula de LC (llamada mesógena ) puede exhibir 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 paraazoxianisol . ^[24]

Fase nemática

Alineación en fase nemática

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

La fase de cristal líquido más simple es la nemática. En una fase nemática, las moléculas orgánicas calamíticas carecen de un orden posicional cristalino, pero se autoalinean con sus ejes largos aproximadamente paralelos. Las moléculas pueden fluir libremente y las posiciones de sus centros de masa están distribuidas aleatoriamente como en un líquido, pero su orientación está limitada para formar un orden direccional de largo alcance. ^[25]

La palabra nemático proviene del griego νήμα ( griego : nema ), que significa "hilo". Este término tiene su origen en las disclinaciones : defectos topológicos filiformes observados en las fases nemáticas.

Los nemáticos también presentan los llamados defectos topológicos "hedgehog". En dos dimensiones, hay defectos topológicos con cargas topológicas. +1/2y -1/2. Debido a la hidrodinámica, el +1/2El defecto se mueve considerablemente más rápido que el -1/2defecto. Cuando se colocan cerca unos de otros, los defectos se atraen; al chocar, se aniquilan. ^{[26] [27]}

La mayoría de las fases nemáticas son uniaxiales: tienen un eje (llamado directriz) que es más largo y preferido, mientras que 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 orientarse por su eje mayor, también se orientan a lo largo de un eje secundario. ^[28] Los cristales 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]

Las fases nemáticas también se conocen en sistemas no moleculares: en campos magnéticos elevados, los electrones fluyen en haces o franjas para crear una forma de materia "nemática electrónica". ^{[29] [30]}

Fases esmécticas

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

Las fases esmécticas, que se encuentran a temperaturas más bajas que las nemáticas, forman capas bien definidas que pueden deslizarse unas sobre otras de forma similar a la del jabón. La palabra "smectic" proviene del latín "smecticus", que significa limpieza o propiedades jabonosas. ^[31] Por tanto, los esmécticos están ordenados posicionalmente en una dirección. En la fase Sméctica A, las moléculas están orientadas a lo largo de la capa normal, mientras que en la fase Sméctica C están inclinadas alejándose de ella. Estas fases son líquidas dentro de las capas. Hay muchas fases esmécticas diferentes, todas caracterizadas por diferentes tipos y grados de orden posicional y orientacional. ^{[19] [20]} Más allá de las moléculas orgánicas, también se ha informado que el ordenamiento esméctico ocurre dentro de suspensiones coloidales de materiales bidimensionales o nanoláminas. ^{[32] [33]} Un ejemplo de LC esmécticas es el p,p'-dinonilazobenceno. ^[34]

Fases quirales o nemáticas retorcidas.

Esquema del ordenamiento de 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 (lateralidad). Esta fase a menudo se denomina fase colestérica porque se observó por primera vez en los derivados del colesterol . Sólo las moléculas quirales pueden dar lugar a dicha 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 alcance. En la fase esméctica C* (un asterisco indica una fase quiral), las moléculas tienen un ordenamiento posicional en una estructura en capas (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 una torsión en espiral del eje molecular a lo largo de la normal de la capa, de ahí que también se les llame nemáticos retorcidos . ^{[20] [22] [23]}

Fase nemática quiral. El numerador p se refiere al tono quiral (ver texto).

El paso 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 paso, ya que en esta fase los directores a 0° y ±180 ° son equivalentes). El tono, p, normalmente cambia cuando se altera la temperatura o cuando se agregan otras moléculas al huésped LC (un material huésped LC aquiral formará una fase quiral si se dopa con un material quiral), lo que permite que el tono de un material determinado 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 la emisión láser de bajo umbral , ^[35] y estas propiedades se explotan en una serie de aplicaciones ópticas. ^{[3] [22]} 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 reflexiones de orden superior. Los cristales líquidos colestéricos también exhiben la propiedad única de reflejar la luz polarizada circularmente cuando incide a lo largo del eje helicoidal y polarizada elípticamente si llega de manera oblicua. ^[36]

Una célula plana, llena de un huésped LC aquiral dopado con un análogo de base de 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 reflejan selectivamente una longitud de onda de luz particular. ^[37]

Fases azules

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 red 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 red cúbica . En 1981 se predijo teóricamente que estas fases pueden poseer simetría icosaédrica similar a la de los cuasicristales . ^{[38] [39]}

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 de 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). ^{[40] [41]} Las fases azules estabilizadas a temperatura ambiente permiten la conmutación electroóptica con tiempos de respuesta del orden de 10 ⁻⁴  s. ^[42] En mayo de 2008, se desarrolló el primer panel LCD en modo de fase azul . ^[43]

Los cristales de fase azul, al ser 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 ideales de fase azul en grandes volúmenes sigue siendo problemática, ya que los cristales producidos suelen ser policristalinos (estructura de plaquetas) o el tamaño del monocristal es limitado (en el rango micrométrico). 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. ^[44]

Fases discoticas

Las moléculas de LC en forma de disco pueden orientarse en forma de capas conocida como fase nemática discótica. Si los discos se agrupan en pilas, la fase se llama columnar discótica . Las propias columnas pueden organizarse en conjuntos rectangulares o hexagonales. También se conocen fases discóticas quirales, similares a la fase nemática quiral.

Fases cónicas

Las moléculas cónicas de LC, como las discóticas, pueden formar fases columnares. Se han predicho otras fases, como la nemática no polar, la nemática polar, la frijol, la rosquilla y la cebolla. Las fases cónicas, excepto las nemáticas no polares, son fases polares. ^[45]

Cristales líquidos liotrópicos

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

Un cristal líquido liotrópico consta de dos o más componentes que exhiben propiedades líquido-cristalinas 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. ^[46] 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 fases líquido-cristalinas liotrópicas que dependen de los equilibrios de volumen entre la parte hidrófila y la parte hidrófoba. Estas estructuras se forman mediante 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 anfífilo muy baja, las moléculas se dispersarán aleatoriamente sin ningún orden. A una concentración ligeramente mayor (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, las asambleas se volverán ordenadas. 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. Esto se llama fase jabonosa media. A una concentración aún mayor, se puede formar una fase laminar (fase jabonosa pura), en la que láminas extendidas de anfífilos están separadas por finas capas de agua. Para algunos sistemas, puede existir una fase cúbica (también llamada isotrópica viscosa) entre las fases hexagonal y laminar, donde se forman esferas que crean una red cúbica densa. Estas esferas también pueden estar conectadas entre sí, formando una fase cúbica bicontinua.

Los objetos creados por los anfífilos suelen ser esféricos (como en el caso de las micelas), pero también pueden tener forma de disco (bicelas), varillas o biaxiales (los tres ejes de las micelas son distintos). Estas nanoestructuras anisotrópicas autoensambladas pueden ordenarse de manera muy similar a como 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 anfífilos) 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 baja a alta concentración de anfífilos, 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 se pueden ajustar mediante la concentración: por ejemplo, en las fases laminares, las distancias entre capas aumentan con el volumen de disolvente. Dado que los cristales líquidos liotrópicos dependen de un equilibrio sutil 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 unidos y forman vidrios fácilmente. La adición de moléculas de cadena larga similares a jabones conduce a una serie de nuevas fases que muestran una variedad de comportamiento cristalino líquido tanto en función de la relación de composición inorgánica-orgánica como de la temperatura. Esta clase de materiales ha sido denominada metalotrópica. ^[47]

Análisis de laboratorio de mesofase.

Las mesofases termotrópicas se detectan y caracterizan mediante dos métodos principales: el método original era el uso de microscopía óptica térmica, ^{[48] [49]} en el que se colocaba una pequeña muestra del material entre dos polarizadores cruzados; Luego la muestra se calentó y 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, lo que provocará gradientes de brillo y color. Este método permite caracterizar la fase particular, ya que las diferentes fases están definidas por su orden particular, que debe ser observado. El segundo método, la calorimetría diferencial de barrido (DSC), ^[48] permite una determinación más precisa de las transiciones de fase y las entalpías de transición. En DSC, una pequeña muestra se calienta de manera que genera un cambio de temperatura muy preciso con respecto al tiempo. Durante las transiciones de fase, el flujo de calor necesario para mantener esta velocidad de calentamiento o enfriamiento cambiará. Estos cambios pueden observarse y atribuirse 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 en varias concentraciones de mesógeno para analizar ese impacto.

Cristales líquidos biológicos

Las fases líquido-cristalinas liotrópicas son abundantes en los sistemas vivos, cuyo estudio se denomina polimorfismo lipídico . Por ello, 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 (p. ej. , fosfolípidos ) son perpendiculares a la superficie de la membrana, pero la membrana es flexible. ^[50] Estos lípidos varían en forma (consulte la página sobre polimorfismo lipídico ). Las moléculas constituyentes pueden mezclarse fácilmente, pero tienden a no abandonar la membrana debido al alto requerimiento de energía de este proceso. Las moléculas de lípidos pueden girar de un lado de la membrana al otro, proceso catalizado por flippasas y flopasas (dependiendo de la dirección del movimiento). Estas fases de membrana de cristal líquido también pueden albergar proteínas importantes tales como receptores que "flotan" libremente dentro o parcialmente fuera de la membrana, por ejemplo CTP:fosfocolina citidililtransferasa (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 de la seda es fundamental para su reconocida resistencia. El ADN y muchos polipéptidos , incluidos los filamentos citoesqueléticos activados activamente, ^[51] 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. ^[52] En conjunto, estas aplicaciones biológicas de los cristales líquidos forman una parte importante de la investigación académica actual.

Cristales minerales líquidos

También se pueden encontrar ejemplos de cristales líquidos en el mundo mineral, siendo la mayoría de ellos liotrópicos. El primero descubierto fue el óxido de vanadio(V) , por Zocher en 1925. ^[53] Desde entonces, pocos otros han sido descubiertos y estudiados en detalle. ^[54] La existencia de una verdadera fase nemática en el caso de la familia de las arcillas esmectitas fue planteada por Langmuir en 1938, ^[55] pero permaneció como una cuestión abierta durante mucho tiempo y sólo se confirmó recientemente. ^{[56] [57]}

Con el rápido desarrollo de las nanociencias y la síntesis de muchas nanopartículas anisotrópicas nuevas , el número de estos cristales líquidos minerales está aumentando rápidamente, junto con, por ejemplo, los nanotubos de carbono y el grafeno. Incluso se descubrió una fase laminar, H ₃ Sb ₃ P ₂ O ₁₄ , que exhibe hiperhinchamiento hasta ~ 250 nm para la distancia interlaminar. ^[32]

Formación de patrones en cristales líquidos.

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 fluidos ordinarios. Por ejemplo, la inyección de un flujo de un cristal líquido entre dos placas paralelas cercanas ( digitación viscosa ) provoca que la orientación de las moléculas se acople con el flujo, con la consiguiente aparición de patrones dendríticos. ^[58] Esta anisotropía también se manifiesta en la energía interfacial ( tensión superficial ) entre diferentes fases del cristal líquido. Esta anisotropía determina la forma de equilibrio a la temperatura de coexistencia y es tan fuerte que normalmente aparecen facetas. Cuando cambia la temperatura una de las fases crece, formando diferentes morfologías dependiendo del cambio de temperatura. ^[59] Dado que el crecimiento está controlado por la difusión de calor, la anisotropía en la conductividad térmica favorece el crecimiento en direcciones específicas, lo que también tiene un efecto en la forma final. ^[60]

Tratamiento teórico de cristales líquidos.

El tratamiento teórico microscópico de las fases fluidas puede resultar bastante complicado debido a la alta densidad del material, lo que significa que no se pueden ignorar las interacciones fuertes, las repulsiones internas 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 al menos pueden predecir el comportamiento general de las transiciones de fase en sistemas de cristal líquido.

Director

Como ya vimos anteriormente, los cristales líquidos nemáticos están compuestos de moléculas en forma de varillas con los ejes largos de las moléculas vecinas alineados 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 las proximidades de cualquier punto. Como no existe polaridad física a lo largo del eje director, n y -n son totalmente equivalentes. ^[20]

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. Se utiliza un parámetro de orden tensor simétrico sin rastro de segundo rango para describir el orden de orientación del cristal líquido nemático biaxial más general . Sin embargo, para describir el caso más común de cristales líquidos nemáticos uniaxiales, un parámetro de orden escalar es suficiente. ^[61] Para que esto sea cuantitativo, generalmente se define un parámetro de orden de orientación basado en el promedio del segundo polinomio de Legendre : ${\displaystyle Q}$

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

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 tanto temporal como espacial. Esta definición es conveniente, ya que para una muestra completamente aleatoria e isotrópica, S  = 0, mientras que para una muestra perfectamente alineada S=1. Para una muestra de cristal líquido típica, 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 sufre una transición de fase de una fase LC a una fase isotrópica. ^[62] El parámetro de orden se puede medir experimentalmente de varias maneras; por ejemplo, se pueden utilizar diamagnetismo , birrefringencia , dispersión Raman , RMN y EPR para determinar S. ^[23] ${\displaystyle \theta }$

El orden de un cristal líquido también podría caracterizarse mediante el uso de otros polinomios pares de Legendre (todos los polinomios impares promedian cero ya que el director puede apuntar en cualquiera de dos direcciones antiparalelas). Estos promedios de orden superior son más difíciles de medir, pero pueden proporcionar información adicional sobre el orden molecular. ^[19]

También se utiliza un parámetro de orden posicional 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 determinado. En el caso de variación posicional a lo largo del eje z , la densidad suele venir 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 promedio. Normalmente sólo 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 fase nemática perfecta y para una esméctica tomarán 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. ^[20] ${\displaystyle \psi (\mathbf {r} )=\rho _{1}(\mathbf {r} )e^{i\varphi (\mathbf {r} )}}$ ${\displaystyle \rho _{0}}$ ${\displaystyle \psi =0}$ ${\displaystyle \psi }$

Modelo de varilla dura Onsager

Problema no resuelto en física :

¿Se puede caracterizar la transición de fase nemática a esméctica (A) en estados de cristal líquido 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 varilla 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 que rodea al 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 neta del cilindro que se aproxima (hay menos estados disponibles para él). ^{[63] [64]}

La idea fundamental aquí es que, mientras que las disposiciones paralelas de objetos anisotrópicos conducen a una disminución de la entropía orientacional, hay un aumento de la entropía posicional. Así, en algún caso, un mayor orden posicional será entrópicamente favorable. Por lo tanto, esta teoría predice que una solución de objetos en forma de varilla experimentará una transición de fase, en concentración suficiente, a una fase nemática. Aunque este modelo es conceptualmente útil, su formulación matemática parte de varios supuestos que limitan su aplicabilidad a sistemas reales. ^[64] Flory propuso una extensión de la teoría de Onsager para tener en cuenta los efectos no entrópicos.

Teoría del campo medio de Maier-Saupe

Esta teoría estadística, propuesta por Alfred Saupe y Wilhelm Maier, incluye contribuciones de un potencial intermolecular atractivo de un momento dipolar inducido entre moléculas de cristal líquido en forma de varilla adyacentes. La atracción anisotrópica estabiliza la alineación paralela de las moléculas vecinas, y luego la teoría considera un promedio de campo medio de la interacción. Resuelta de manera autoconsistente, esta teoría predice transiciones de fase termotrópica nemático-isotrópica, de acuerdo con el experimento. ^{[65] [66] [67]} La ​​teoría del campo medio de Maier-Saupe se extiende a cristales líquidos de alto peso molecular incorporando la rigidez a la flexión de las moléculas y utilizando el método de integrales de trayectoria en la ciencia de los polímeros . ^[68]

El modelo de McMillan.

El modelo de McMillan, propuesto por William McMillan, ^[69] 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 la fase 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 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 utiliza para derivar las propiedades termodinámicas del sistema suponiendo el equilibrio térmico. Resulta en dos ecuaciones de autoconsistencia que deben resolverse numéricamente, cuyas soluciones son las tres fases estables del cristal líquido. ^[23]

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 perturbaciones en una muestra presuntamente 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 ángulos entre sí, en lugar de alinearse; (2) extensión del material, donde la flexión se produce perpendicular al director; y (3) curvatura del material, donde la distorsión es paralela al eje director y molecular. Estos tres tipos de distorsiones conllevan una penalización energética. Son distorsiones 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. ^{[70] [71]}

Influencias externas sobre los cristales líquidos.

Los científicos e ingenieros pueden utilizar cristales líquidos en una variedad de aplicaciones porque la perturbación externa puede provocar 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 superficiales especiales 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 se producen 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 dipolares tienden a orientarse en la dirección del campo. ^[72]

Incluso si una molécula no forma un dipolo permanente, aún puede verse influenciada por un campo eléctrico. En algunos casos, el campo produce una ligera reordenación de electrones y protones en las moléculas, de modo que se produce un dipolo eléctrico inducido. Aunque no son tan fuertes como los dipolos permanentes, todavía se produce 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 las 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 que aparece dos veces ). En los cristales líquidos nemáticos, la polarización y el desplazamiento eléctrico dependen linealmente de la dirección del campo eléctrico. La polarización debe ser pareja en el director ya que los cristales líquidos son invariantes bajo reflexiones 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) ^[73] ${\displaystyle j}$ ${\displaystyle \epsilon _{\bot }}$ ${\displaystyle \epsilon _{\parallel }}$ ${\displaystyle n}$

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

(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 ^[74] ). ${\displaystyle i}$ ${\displaystyle \epsilon _{\parallel }-\epsilon _{\bot }}$ ${\displaystyle E}$ ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle \epsilon _{\parallel }-\epsilon _{\bot }}$ ${\displaystyle E}$ ${\displaystyle n}$

La diferencia se llama anisotropía dieléctrica y es un parámetro importante en aplicaciones de cristal líquido. Existen ambos cristales líquidos comerciales. La mezcla de cristales líquidos 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 campos eléctricos. Debido a que los campos magnéticos se generan mediante cargas eléctricas en movimiento, los electrones que se mueven alrededor de los átomos producen dipolos magnéticos permanentes. Cuando se aplica un campo magnético, las moléculas tenderán a alinearse con o contra el campo. La radiación electromagnética, por ejemplo la luz UV-visible, puede influir en los cristales líquidos sensibles a la luz, que portan principalmente al menos una unidad fotoconmutable. ^[75]

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 señalar una dirección específica introduciendo un agente externo en el 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 del frotamiento. Se cree que el mecanismo actualmente aceptado para esto es un crecimiento epitaxial de las capas de cristal líquido sobre las cadenas de polímero parcialmente alineadas en las capas cercanas a la superficie 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 Fredericksz

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

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

Efecto de la quiralidad

Como ya se describió, las moléculas quirales de cristal líquido suelen dar lugar a mesofases quirales. Esto significa que la molécula debe poseer alguna forma de asimetría, normalmente un centro estereogénico . Un requisito adicional es que el sistema no sea racémico : una mezcla de moléculas diestras y zurdas anulará el efecto quiral. Sin embargo, debido a la naturaleza cooperativa del ordenamiento de los cristales líquidos, una pequeña cantidad de dopante quiral en una mesofase que de otro modo sería aquiral es a menudo suficiente para seleccionar la lateralidad de un dominio, lo que hace 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, entonces se pueden observar interesantes efectos de interferencia óptica. La torsión quiral que se produce en las fases quirales de LC también hace que el sistema responda de manera diferente a la luz polarizada circularmente hacia derechas e izquierdas. Por tanto, estos materiales pueden utilizarse como filtros de polarización . ^[76]

Es posible que las moléculas quirales de LC 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 de 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. ^[77] En cualquier muestra particular, varios dominios tendrán lados opuestos, 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 forma inclinada dentro de las capas. Estas fases de cristales líquidos pueden ser ferroeléctricas o antiferroeléctricas, las cuales son de interés para aplicaciones. ^{[78] [79]}

La quiralidad también se puede incorporar a una fase agregando un dopante quiral , que puede no formar LC por sí mismo. Las mezclas de nemáticos retorcidos o súper retorcidos contienen a menudo una pequeña cantidad de dichos dopantes.

Aplicaciones de los cristales líquidos

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" mostrada en una pantalla LCD

Los cristales líquidos encuentran un amplio uso en pantallas de cristal líquido, que dependen de 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 retorcida (ver Efecto de campo nemático retorcido ). ^[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 de regreso al observador si se proporciona un reflector). Por tanto, el dispositivo parece transparente. Cuando se aplica un campo eléctrico a la capa LC, los ejes moleculares largos tienden a alinearse paralelos 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 es absorbida por el segundo polarizador y el dispositivo pierde transparencia al aumentar el voltaje. De esta manera, el campo eléctrico se puede utilizar para hacer que un píxel cambie entre transparente u opaco cuando se lo ordene. 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 LCD ferroeléctricos que son moduladores de luz binarios de conmutación rápida. Se pueden utilizar principios similares para fabricar otros dispositivos ópticos basados ​​en cristal líquido. ^[80]

Los filtros sintonizables de cristal líquido se utilizan como dispositivos electroópticos , ^{[81] [82]} , por ejemplo, en imágenes hiperespectrales .

Los LC quirales termotrópicos cuyo tono varía fuertemente con la temperatura se pueden usar como termómetros de cristal líquido en bruto , ya que el color del material cambiará a medida que cambia el tono. Las transiciones de color de cristal líquido se utilizan en muchos termómetros para acuarios y piscinas, así como en termómetros para bebés o para bañeras. ^[83] Otros materiales de cristal líquido cambian de color cuando se estiran o se 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 tensiones, 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 . ^[84]

Las lentes de cristal líquido convergen o divergen 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 parabólica mediante la disposición de orientaciones moleculares. Por lo tanto, una lente de cristal líquido transforma una onda plana en un frente de onda parabólico. La distancia focal de las lentes de cristal líquido podría sintonizarse continuamente cuando el campo eléctrico externo pueda sintonizarse adecuadamente. Las lentes de cristal líquido son un tipo de óptica adaptativa . Los sistemas de imágenes pueden beneficiarse de la corrección del enfoque, el ajuste del plano de la imagen o el cambio del rango de profundidad de campo o profundidad de enfoque . Las lentes de cristal líquido son una de las candidatas para desarrollar dispositivos de corrección de la visión para miopía y presbicia (p. ej., anteojos sintonizables y lentes de contacto inteligentes). ^{[85] [86]} 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 la trayectoria óptica en función de su coordenada de pupila). En diferentes sistemas de imágenes, la función requerida de la longitud del camino óptico varía de uno a otro. 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 en aproximación paraxial . En cuanto a proyectar imágenes o detectar objetos, se puede esperar que la lente de cristal líquido tenga una distribución asférica de la longitud del camino óptico a lo largo 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 ampliaron a partir de lentes de cristal líquido con los mismos mecanismos ópticos. ^[87] Las aplicaciones de las lentes de cristal líquido incluyen picoproyectores, lentes recetados (anteojos o lentes de contacto), cámaras de teléfonos inteligentes, 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 y umbral bajo con emisión monocromática estable. ^{[35] [88]}

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 en realidad cristales líquidos. El jabón forma una variedad de fases LC dependiendo de su concentración en el agua. ^[89]

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 . ^{[90] [91]}

Los cristales líquidos también se utilizan como tecnología básica para imitar las computadoras cuánticas , utilizando campos eléctricos para manipular la orientación de las moléculas del cristal líquido , almacenar datos y codificar un valor diferente para cada grado diferente de desalineación con otras moléculas. ^{[92] [93]}

Ver también

• Nemático biaxial
• Fase columnar
• Clasificación LCD
• Pantalla de cristal líquido  : pantalla que utiliza las propiedades moduladoras de la luz de los cristales líquidos.
• Cristal líquido sobre silicio  : descripción general sobre el 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 mediante la autoorganización en la naturaleza.
• Cristal plástico  : estado de la materia no clásicoPages displaying wikidata descriptions as a fallback
• Vidrio inteligente  : vidrio con opacidad conmutable eléctricamente
• Termocromismo  : propiedad de las sustancias de cambiar de color debido a un cambio de temperatura.
• cristal termotrópico
• Efecto de campo nemático trenzado  : tipo de tecnología de pantalla de cristal líquido con transistor de película delgada
• Nematicón
• Termómetro de cristal líquido
• Anillo de humor  : un anillo que contiene un elemento termocrómico.
• fluido activo

Referencias

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