Cristal líquido

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

Textura Schlieren de la fase nemática del 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. Hay 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. Un material LC puede no estar siempre en un estado LC de la materia (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 consisten principalmente en moléculas orgánicas , aunque también se conocen algunos minerales. Los LC termotrópicos exhiben una transición de fase a la fase LC a medida que cambia la temperatura. Los LC liotrópicos exhiben transiciones de fase en función de la temperatura y la concentración de moléculas en un solvente (típicamente agua). Los LC metalotrópicos están compuestos de moléculas orgánicas e inorgánicas; su transición LC depende adicionalmente de la relación de composición inorgánica-orgánica.

Existen ejemplos de LC tanto en el mundo natural como en aplicaciones tecnológicas. Los LC liotrópicos abundan en los sistemas vivos; muchas proteínas y membranas celulares son LC, así como el virus del mosaico del tabaco ^{[ cita requerida ]} . Los LC en el mundo mineral incluyen soluciones de jabón y varios detergentes relacionados , y algunas arcillas . Las pantallas de cristal líquido (LCD) generalizadas utilizan cristales líquidos.

Historia

En 1888, el fisiólogo botánico austríaco 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 fenómeno nuevo. 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, sino que 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. En busca de ayuda de un físico, el 14 de marzo de 1888, escribió a Otto Lehmann , en ese momento Privatdozent en Aquisgrán . Intercambiaron cartas y muestras. Lehmann examinó el fluido turbio intermedio y dijo 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 a Lehmann y von Zepharovich, en una reunión de la Sociedad Química de Viena el 3 de mayo de 1888. ^[1]

Para entonces, 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 la 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 había encontrado un nuevo fenómeno y estaba en condiciones de investigarlo: en sus años de posdoctorado había adquirido experiencia en cristalografía y microscopía . Lehmann comenzó un estudio sistemático, primero del benzoato de colesterilo y luego de compuestos relacionados que exhibían 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 un microscopio, convencieron a Lehmann de que estaba tratando con un sólido. A fines de agosto de 1889 había publicado sus resultados en 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, el trabajo sobre la síntesis de cristales líquidos se reanudó en los laboratorios de investigación de las universidades de Europa. George William Gray , un destacado investigador de cristales líquidos, comenzó a investigar estos materiales en Inglaterra a finales 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 exhibieran 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 unos 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 el foco de investigación en el desarrollo de pantallas electrónicas de panel plano a partir de 1962 en los Laboratorios RCA . ^[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 Williams). Esto llevó a su colega George H. Heilmeier a realizar una investigación sobre una pantalla plana basada en cristal líquido para reemplazar el tubo de vacío de rayos catódicos utilizado en los televisores. Pero el para-azoxianiso que usaron Williams y Heilmeier exhibe el estado de cristal líquido nemático solo por encima de los 116 °C, lo que lo hacía poco práctico para usar en un producto de visualización comercial. Claramente 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 la RCA, descubrieron que las mezclas formadas exclusivamente por compuestos nemáticos que diferían únicamente en el número de átomos de carbono en las cadenas laterales terminales podían producir cristales líquidos nemáticos a temperatura ambiente. Una mezcla ternaria de compuestos de 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] A continuación, 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 se convirtió finalmente en el estándar de la industria y todavía se utiliza para adaptar los materiales a aplicaciones específicas.

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

En 1969, Hans Keller logró sintetizar una sustancia que tenía una fase nemática a temperatura ambiente, N-(4-metoxibencilideno)-4-butilanilina (MBBA), que es uno de los temas más populares de la investigación de cristal líquido. ^[10] El siguiente paso hacia 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 dieron como resultado la rápida adopción de LCD de área pequeña dentro de los productos electrónicos.

Estas moléculas tienen forma de bastón, algunas creadas en el laboratorio y otras que 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 la 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 París-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 una gran cantidad de compuestos químicos presentan 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 químicas y físicas. Hay tres tipos de cristales líquidos termotrópicos: moléculas discóticas, cónicas (de cuenco) y en forma de bastón. Los discóticos son moléculas con 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 forma de cuenco de arroz (un objeto tridimensional). ^{[15] [16]} Esto permite un ordenamiento columnar bidimensional, tanto para los LC discóticos como para los cónicos. Las moléculas con forma de bastón tienen una geometría alargada y anisotrópica 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 marcos moleculares rígidos.
• La longitud molecular debe ser de al menos 1,3 nm, coherente 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 metaestables y monotrópicas. El comportamiento mesomórfico a baja temperatura en general es tecnológicamente más útil y los grupos terminales alquílicos 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 (denominadas 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 el orden orientacional, pero solo por una ausencia parcial o total de orden posicional. Por el contrario, los materiales con orden posicional pero sin orden orientacional se conocen como cristales plásticos . ^[18] La mayoría de los LC termotrópicos tendrán una fase isótropa a alta temperatura: el calentamiento eventualmente los llevará a una fase líquida convencional caracterizada por un ordenamiento molecular aleatorio e isótropo 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 orientacional anisotrópica significativa y un orden orientacional de corto alcance mientras que aún tiene la capacidad de fluir. ^{[19] [20]}

El ordenamiento de los cristales líquidos se extiende hasta el tamaño del dominio completo, que puede ser del orden de micrómetros, pero por lo general no 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 , se pueden utilizar para imponer un dominio ordenado único en una muestra de cristal líquido macroscópico. ^[21] El ordenamiento orientacional en un cristal líquido puede extenderse a lo largo de una sola dimensión , y el material puede estar esencialmente desordenado en las otras dos direcciones. ^{[22] [23]}

Cristales líquidos termotrópicos

Las fases termotrópicas son aquellas que se producen 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 al material a una fase líquida isotrópica convencional. A una temperatura demasiado baja, la mayoría de los materiales LC formarán un cristal convencional. ^{[19] [20]} Muchos LC termotrópicos exhiben una variedad de fases a medida que cambia la temperatura. Por ejemplo, un tipo particular de molécula LC (llamada mesógeno ) 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 para-azoxianisol . ^[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 isótropo.

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 sus posiciones del centro de masa están distribuidas aleatoriamente como en un líquido, pero su orientación está restringida 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 de tipo filamentoso que se observan en las fases nemáticas.

Los nemáticos también presentan los llamados defectos topológicos de "erizo". En dos dimensiones, existen defectos topológicos con cargas topológicas + ⁠1/2⁠ y - ⁠1/2⁠ . Debido a la hidrodinámica, el + ⁠1/2El defecto se mueve considerablemente más rápido que el -1/2⁠ defecto. Cuando se colocan cerca uno del otro, 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, 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. ^[28] Los cristales nemáticos tienen una fluidez similar a la de los líquidos ordinarios (isotrópicos), pero se pueden alinear 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 las pantallas de cristal líquido (LCD). ^[7]

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

Fases esmécticas

Esquema de la 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 una manera similar a la del jabón. La palabra "esméctica" se origina del latín "smecticus", que significa limpieza o que tiene propiedades similares al jabón. ^[31] Por lo tanto, las esmécticas están ordenadas posicionalmente a lo largo de una dirección. En la fase esméctica A, las moléculas están orientadas a lo largo de la normal de la capa, mientras que en la fase esméctica C están inclinadas en dirección opuesta a ella. 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. ^{[19] [20]} Más allá de las moléculas orgánicas, también se ha informado que el ordenamiento esméctico ocurre dentro de suspensiones coloidales de materiales 2-D o nanohojas. ^{[32] [33]} Un ejemplo de LC esmécticos es el p,p'-dinonilazobenceno. ^[34]

Fases quirales o nemáticas retorcidas

Esquema de ordenamiento en fases de cristales líquidos quirales. La fase nemática quiral (izquierda), también llamada fase colestérica, y la fase C* esméctica (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 . Solo 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 denota una fase quiral), las moléculas tienen un ordenamiento posicional en una estructura en capas (como en las otras fases esmécticas), con las moléculas inclinadas por un ángulo finito con respecto a la normal de la capa. La quiralidad induce una torsión azimutal finita de una capa a la siguiente, lo que produce una torsión en espiral del eje molecular a lo largo de la normal de la capa, por lo que también se las llama nemáticas retorcidas . ^{[20] [22] [23]}

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

El paso quiral , p, se refiere a la distancia sobre la cual las moléculas 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 paso, p, normalmente cambia cuando se altera la temperatura o cuando se añaden otras moléculas al huésped LC (un material huésped LC aquiral formará una fase quiral si se dopa con un material quiral), lo que permite ajustar el paso de un material determinado en consecuencia. En algunos sistemas de cristal líquido, el paso 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 umbral bajo , ^[35] y estas propiedades se explotan en varias 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 las reflexiones de orden superior. Los cristales líquidos colestéricos también exhiben la propiedad única de reflejar luz polarizada circularmente cuando incide a lo largo del eje helicoidal y polarizada elípticamente si incide oblicuamente. ^[36]

Una celda plana, llena de un núcleo LC aquiral dopado con un análogo de base de Tröger ópticamente activo, colocada 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 reticulares de varios cientos de nanómetros y, por lo tanto, exhiben reflexiones de Bragg selectivas en el rango de longitud de onda de la luz visible correspondiente a la red cúbica . Se predijo teóricamente en 1981 que estas fases pueden poseer una simetría icosaédrica similar a los cuasicristales . ^{[38] [39]}

Aunque las fases azules son de interés para moduladores de luz rápidos o cristales fotónicos sintonizables , existen en un rango de temperatura muy estrecho, generalmente menos de unos pocos kelvins . 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 una 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 un intervalo de banda en el rango de longitud de onda visible, pueden considerarse cristales fotónicos 3D . La producción de cristales de fase azul ideales en grandes volúmenes sigue siendo problemática, ya que los cristales producidos suelen ser policristalinos (estructura de plaquetas) o el tamaño del cristal único 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 de red cristalina controladas. ^[44]

Fases discóticas

Las moléculas de LC con forma de disco pueden orientarse en una disposición similar a una capa, conocida como fase nemática discótica. Si los discos se apilan, la fase se denomina columna discótica . Las columnas en sí pueden estar organizadas en matrices rectangulares o hexagonales. También se conocen fases discóticas quirales, similares a la fase nemática quiral.

Fases cónicas

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

Cristales líquidos liotrópicos

Estructura de un 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 inmersas en aceite: bicapa (izquierda) y micela (derecha).

Un cristal líquido liotrópico consta de dos o más componentes que presentan 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. ^[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 denomina 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 a través de la segregación de microfases de dos componentes incompatibles a escala nanométrica. El jabón es un ejemplo cotidiano de un cristal líquido liotrópico.

El contenido de agua u otras moléculas de disolvente cambia las estructuras autoensambladas. A concentraciones muy bajas de anfifilos, las moléculas se dispersarán aleatoriamente sin ningún orden. A concentraciones ligeramente más altas (pero aún bajas), las moléculas anfifílicas se ensamblarán espontáneamente en micelas o vesículas . Esto se hace para "ocultar" la cola hidrófoba del anfifilo dentro del núcleo de la micela, exponiendo una superficie hidrófila (soluble en agua) a la solución acuosa. Sin embargo, estos objetos esféricos no se ordenan a sí mismos en solución. A mayor concentración, los ensamblajes se ordenarán. Una fase típica es una fase columnar hexagonal, donde los anfifilos forman cilindros largos (de nuevo con una superficie hidrófila) que se organizan en una red aproximadamente hexagonal. Esto se llama fase de jabón medio. A una concentración aún más alta, puede formarse una fase laminar (fase de jabón puro), en la que láminas extendidas de anfifilos están separadas por capas delgadas de agua. En algunos sistemas, puede existir una fase cúbica (también llamada isótropa viscosa) entre las fases hexagonal y laminar, en la que 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 anfifilos suelen ser esféricos (como en el caso de las micelas), pero también pueden tener forma de disco (bicelas), de varilla o ser biaxiales (los tres ejes de las micelas son distintos). Estas nanoestructuras anisotrópicas autoensambladas pueden ordenarse de forma 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 con forma de varilla).

En 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 esféricas de agua).

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

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

Incluso dentro de las mismas fases, sus estructuras autoensambladas pueden ajustarse mediante la concentración: por ejemplo, en las fases lamelares, 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 ZnCl2 , que tienen una estructura formada por tetraedros enlazados y forman fácilmente vidrios. 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 se ha denominado metalotrópicos. ^[47]

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 ^{[48] [49]} , en el que se colocaba una pequeña muestra del material entre dos polarizadores cruzados; luego, la muestra se calentaba y se enfriaba. Como la fase isótropa no afectaría significativamente la polarización de la luz, aparecería muy oscura, mientras que las fases de cristal y cristal líquido polarizarán la luz de manera uniforme, lo que generará gradientes de brillo y color. Este método permite la caracterización de la fase particular, ya que las diferentes fases se definen por su orden particular, que debe observarse. El segundo método, 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 una manera que genera un cambio muy preciso en la temperatura 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 con diversas concentraciones de mesógeno para analizar ese impacto.

Cristales líquidos biológicos

Las fases líquido-cristalinas liotrópicas son abundantes en los sistemas vivos, cuyo estudio se conoce como polimorfismo lipídico . En consecuencia, los cristales líquidos liotrópicos atraen una atención particular 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, los fosfolípidos ) son perpendiculares a la superficie de la membrana, pero la membrana es flexible. ^[50] Estos lípidos varían en forma (ver página sobre polimorfismo lipídico ). 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 lipídicas pueden voltearse de un lado a otro de la membrana, proceso que es catalizado por flipasas y floppasas (dependiendo de la dirección del movimiento). Estas fases de membrana de cristal líquido también pueden albergar proteínas importantes como receptores que "flotan" libremente dentro o parcialmente fuera de la membrana, por ejemplo, CTP:fosfocolina citidililtransferasa (CCT).

Muchas otras estructuras biológicas presentan 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 ordenamiento preciso de las moléculas en la seda es fundamental para su reconocida resistencia. El ADN y muchos polipéptidos , incluidos los filamentos citoesqueléticos impulsados ​​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 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. ^[53] Desde entonces, se han descubierto y estudiado en detalle algunos otros. ^[54] La existencia de una verdadera fase nemática en el caso de la familia de las arcillas esmectíticas fue planteada por Langmuir en 1938, ^[55] pero permaneció como una cuestión abierta durante mucho tiempo y solo se confirmó recientemente. ^{[56] [57]}

Con el rápido desarrollo de las nanociencias y la síntesis de muchas nuevas nanopartículas anisotrópicas , el número de estos cristales líquidos minerales está aumentando rápidamente, con, por ejemplo, nanotubos de carbono y 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 los fluidos ordinarios. Por ejemplo, la inyección de un flujo de un cristal líquido entre dos placas paralelas cercanas ( dedos viscosos ) hace que la orientación de las moléculas se acople con el flujo, con la aparición resultante de patrones dendríticos. ^[58] 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 normalmente aparecen facetas. Cuando se cambia la temperatura, una de las fases crece, formando diferentes morfologías según el cambio de temperatura. ^[59] Dado que el crecimiento está controlado por la difusión del calor, la anisotropía en la conductividad térmica favorece el crecimiento en direcciones específicas, lo que también tiene un efecto sobre la forma final. ^[60]

Tratamiento teórico de los cristales líquidos

El tratamiento teórico microscópico de las fases fluidas puede llegar a ser 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, hay una serie de teorías bastante simples que al menos pueden 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 de moléculas con forma de varillas, con los ejes longitudinales 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 la vecindad de cualquier punto. Debido a que no hay polaridad física a lo largo del eje director, n y -n son completamente equivalentes. ^[20]

Parámetro de orden

El director nemático local , que es también el eje óptico local , está 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 tensorial simétrico sin trazas de segundo rango, el tensor Q, se utiliza para describir el orden de orientación del cristal líquido nemático biaxial más general . Sin embargo, para describir el caso más común de los cristales líquidos nemáticos uniaxiales, es suficiente un parámetro de orden escalar. ^[61] Para que esto sea cuantitativo, un parámetro de orden de orientación se define generalmente en función del 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 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 caída brusca del parámetro de orden a 0 cuando el sistema experimenta una transición de fase de una fase LC a la fase isotrópica. ^[62] El parámetro de orden se puede medir experimentalmente de varias formas; 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 se puede caracterizar utilizando otros polinomios de Legendre pares (todos los polinomios impares tienen como promedio 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 brindar información adicional sobre el ordenamiento molecular. ^[19]

También se utiliza un parámetro de orden posicional para describir el ordenamiento de un cristal líquido. Se caracteriza por la variación de la densidad del centro de masa de las moléculas del cristal líquido a lo largo de un vector determinado. 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 promedio. Normalmente, solo se conservan 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, adoptará valores complejos. La naturaleza compleja de este parámetro de orden permite muchos paralelismos 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 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 transiciones de fase liotrópicas es el modelo de varilla dura propuesto por Lars Onsager . Esta teoría considera el volumen excluido del centro de masas de un cilindro idealizado a medida que se aproxima a otro. Específicamente, si los cilindros están orientados en paralelo entre sí, hay muy poco volumen que se excluye del centro de masas del cilindro que se aproxima (puede acercarse bastante al otro cilindro). Sin embargo, si los cilindros están en cierto ángulo entre sí, entonces hay un gran volumen que rodea al cilindro en el que el centro de masas 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. Por lo tanto, en algunos casos, un mayor orden posicional será entrópicamente favorable. Esta teoría predice que una solución de objetos con forma de varilla experimentará una transición de fase, en una concentración suficiente, hacia una fase nemática. Aunque este modelo es conceptualmente útil, su formulación matemática hace varias suposiciones que limitan su aplicabilidad a sistemas reales. ^[64] Flory propuso una extensión de la teoría de Onsager para explicar 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 a partir de un momento dipolar inducido entre moléculas de cristal líquido adyacentes en forma de varilla. La atracción anisotrópica estabiliza la alineación paralela de las 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 nemático-isotrópica termotrópica, consistentes con el experimento. ^{[65] [66] [67]} 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 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 las fases A nemática, isótropa 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 segundo parámetro de 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 entre capas. La energía potencial postulada de una sola molécula viene dada por:

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

En este caso, la constante α cuantifica la fuerza de la interacción entre moléculas adyacentes. El potencial se utiliza entonces para derivar las propiedades termodinámicas del sistema suponiendo el equilibrio térmico. El resultado son 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. En cambio, esta teoría considera perturbaciones en una muestra orientada presunta. 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 estar en ángulo con respecto a las otras, en lugar de alinearse; (2) ensanchamiento del material, donde la flexión ocurre perpendicularmente al director; y (3) curvatura del material, donde la distorsión es paralela al director y al eje molecular. Estos tres tipos de distorsiones incurren en una penalización de energía. Son distorsiones que son inducidas por las condiciones de contorno en las paredes del dominio o el contenedor que lo encierra. La respuesta del material se puede descomponer 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 las perturbaciones externas pueden provocar cambios significativos en las propiedades macroscópicas del sistema de cristal líquido. Se pueden utilizar tanto campos eléctricos como 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 de alinearse a lo largo de un campo externo se debe a 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 a lo largo de la dirección del campo. ^[72]

Incluso si una molécula no forma un dipolo permanente, puede verse influida por un campo eléctrico. En algunos casos, el campo produce una ligera reorganización de los electrones y protones en las moléculas, de modo que se produce un dipolo eléctrico inducido. Aunque no es tan fuerte como los dipolos permanentes, se produce igualmente una 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 almacenada 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 reflexiones de . La forma más general de expresarlo 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] ${\displaystyle j}$ ${\displaystyle \epsilon _{\bot }}$ ${\displaystyle \epsilon _{\parallel }}$ ${\displaystyle n}$

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

(suma sobre ). Si es positivo, entonces el mínimo de la energía se logra 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 la energía se logra cuando y son perpendiculares (en nemática la orientación perpendicular se degenera, haciendo posible 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 denomina anisotropía dieléctrica y es un parámetro importante en las aplicaciones de cristales líquidos. Existen cristales líquidos comerciales y de ambos tipos. La mezcla de cristales líquidos 5CB y E7 son dos cristales líquidos de uso común. El 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. Como 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 ultravioleta visible, puede influir en los cristales líquidos sensibles a la luz que llevan principalmente al menos una unidad fotoconmutable. ^[75]

Preparaciones de superficies

En ausencia de un campo externo, el director de un cristal líquido puede apuntar en cualquier dirección. Sin embargo, es posible obligar al director a apuntar en 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 única 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 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 mando" que, a su vez, se alinea mediante un campo eléctrico de luz polarizada. Este proceso se denomina fotoalineación .

Transición de Fréedericksz

La competencia entre la orientación producida por el anclaje de la superficie y por los efectos del campo eléctrico se explota a menudo en los dispositivos de cristal líquido. Consideremos el caso en el que las moléculas de cristal líquido están alineadas en paralelo 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 del campo eléctrico, se produce una deformación. La deformación se produce cuando el director cambia su orientación de una molécula a la siguiente. La aparición de dicho 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 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 algún tipo de asimetría, normalmente un centro estereogénico . Un requisito adicional es que el sistema no sea racémico : una mezcla de moléculas dextrógiras y levógiras cancelará 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 suele ser suficiente para seleccionar la lateralidad de un dominio, lo que hace que el sistema sea quiral en general.

Las fases quirales suelen presentar una torsión helicoidal de las moléculas. Si la inclinación de esta torsión es del orden de la longitud de onda de la luz visible, 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 forma diferente a la luz polarizada circularmente dextrógira y levógira. Por tanto, estos materiales se pueden utilizar como filtros de polarización . ^[76]

Es posible que las moléculas LC quirales produzcan mesofases esencialmente aquirales. Por ejemplo, en ciertos rangos de concentración y peso molecular , el ADN formará una fase hexática lineal 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 banana) forman fases de cristal líquido que son quirales. ^[77] En cualquier muestra particular, varios dominios tendrán quiralidad opuesta, pero dentro de cualquier dominio dado, estará presente un fuerte ordenamiento quiral. El mecanismo de aparición de esta quiralidad macroscópica aún no está completamente 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 antiferroeléctricas, las cuales son de interés para las aplicaciones. ^{[78] [79]}

La quiralidad también se puede incorporar a una fase mediante la adición de un dopante quiral , que puede no formar LC por sí mismo. Las mezclas nemáticas retorcidas o superretorcidas suelen contener 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" se muestra en una pantalla LCD

Los cristales líquidos se utilizan ampliamente en las 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 sitúa entre dos polarizadores que están cruzados (orientados a 90° entre sí). La alineación del cristal líquido se elige de forma que su fase relajada sea retorcida (véase Efecto de campo nemático retorcido ). ^[7] Esta fase retorcida reorienta la luz que ha pasado a través del primer polarizador, lo que permite su transmisión a través del segundo polarizador (y se refleja de nuevo al observador si se proporciona un reflector). De este modo, el dispositivo parece transparente. Cuando se aplica un campo eléctrico a la capa 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 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 puede utilizarse para hacer que un píxel cambie entre transparente u opaco según lo desee. 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 esmécticos quirales se utilizan en los LCD ferroeléctricos, que son moduladores de luz binarios de conmutación rápida. Se pueden utilizar principios similares para fabricar otros dispositivos ópticos basados ​​en cristales líquidos. ^[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 utilizar como termómetros de cristal líquido rudimentarios , ya que el color del material cambiará a medida que se cambia 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. ^[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 tensión, etc. El cristal líquido en forma de fluido se utiliza para detectar puntos calientes generados eléctricamente para el análisis de fallas en la industria de 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 de índice de refracción parabólico al organizar las orientaciones moleculares. Por lo tanto, una onda plana se reforma en un frente de onda parabólico mediante una lente de cristal líquido. La longitud focal de las lentes de cristal líquido podría ajustarse continuamente cuando el campo eléctrico externo se puede ajustar 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 . La lente de cristal líquido es uno de los candidatos para desarrollar dispositivos de corrección de la visión para la miopía y la presbicia (por ejemplo, anteojos ajustables 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 variante en el espacio (es decir, la longitud de la trayectoria óptica como función de la coordenada de su pupila). En diferentes sistemas de imágenes, la función requerida de la longitud de la trayectoria óptica varía de uno a otro. Por ejemplo, para converger una onda plana en un punto de difracción limitado, para una estructura de cristal líquido físicamente plana, el índice de refracción de la capa de cristal líquido debe ser esférico o paraboloide bajo aproximación paraxial . En cuanto a la proyección de imágenes o la detección de objetos, se puede esperar tener la lente de cristal líquido con distribución asférica de longitud de trayectoria óptica a través de su apertura de interés. Las lentes de cristal líquido con índice de refracción ajustable eléctricamente (al abordar la diferente magnitud del campo eléctrico en la capa de cristal líquido) tienen potenciales para lograr una función arbitraria de longitud de trayectoria óptica 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. ^[87] Las aplicaciones de las lentes de cristal líquido 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 y bajo umbral con emisión monocromática estable. ^{[35] [88]}

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

Muchos fluidos comunes, como el agua jabonosa , son en realidad cristales líquidos. El jabón forma una variedad de fases LC según 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. 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, podría ser posible. ^{[90] [91]}

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

Véase 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  : tipo de tecnología de visualización
• Polímero de cristal líquido  : clase de polímeros extremadamente poco reactivos, inertes y resistentes al fuego.
• Filtro sintonizable de cristal líquido
• Cristal líquido liotrópico  : Solución de moléculas anfifílicas que posee propiedades tanto fluidas como cristalinas.
• Formación de patrones  : estudio de cómo se forman los patrones por autoorganización en la naturaleza.
• Cristal plástico  : estado no clásico de la materiaPages 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 fina
• Nematicón
• Termómetro de cristal líquido
• Anillo del estado de ánimo  : un anillo que contiene un elemento termocrómico.
• Fluido activo

Referencias

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