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Cristales líquidos
Cristales Líquidos
¿QUIÉN NO HA OIDO HABLAR DE LOS CRISTALES LÍQUIDOS?

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


¿QUÉ ES UN CRISTAL LÍQUIDO?

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

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

EL PRIMER CRISTAL LÍQUIDO

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

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


CARACTERÍSTICAS DE LOS CRISTALES LÍQUIDOS

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

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

¿QUÉ TIPO DE COMPUESTOS PRESENTAN EL ESTADO CRISTAL LÍQUIDO?

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


CRISTALES LÍQUIDOS EN LA NATURALEZA

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

APLICACIONES

Los cristales líquidos, en función de sus propiedades, pueden utilizarse para diferentes fines. Por ejemplo, aquellos que reflejan luz de diferente color según sea la temperatura se utilizan en termómetros o detectores de tumores o fisuras. Por sus propiedades electroópticas se usan como base de pantallas de televisión, monitores de ordenador, retroproyectores, cabezales de impresoras, pantallas de calculadora, relojes o juegos electrónicos. Como válvulas de luz, son capaces de aceptar una imagen de baja intensidad luminosa y convertirla en otra de salida más intensa.

Finalmente, los cristales líquidos son de gran importancia en la actualidad para las industrias de detergentes y cosméticos.

Dispositivos ópticos

Uno de los principales motivos de interés industrial por los cristales líquidos ha sido su uso en el diseño de dispositivos que combinan la fluidez con la anisotropía óptica y dieléctrica de estos materiales, los denominados displays.

En un reloj, una calculadora o un juego electrónico, la luz ambiental que llega a la superficie del display pasa a través de los diferentes componentes del dispositivo, que se colocan en una estructura de tipo sándwich. Pero esta luz será reflejada de nuevo si la orientación de las moléculas de la capa de cristal líquido que hay en el centro del display es la adecuada. Dicha orientación puede controlarse localmente mediante la conexión o desconexión de un circuito eléctrico establecido con el pequeño voltaje de una pila. El resultado es que el la pantalla aparecen zonas de brillo o de color diferenciadas, de tal forma que vemos un número, una letra o una figura determinada, cambiantes en cuestión de milisegundos o microsegundos.

Televisiones de cristal líquido

En el mundo actual requerimos cada vez más dispositivos que nos permitan visualizar con mayor calidad, rapidez y resolución las imágenes que nos ofrecen o que nosotros mismos generamos.

Las empresas del sector están inmersas en el desarrollo de pantallas planas de gama alta. Existen diferentes tecnologías para conseguir este propósito: plasma, microespejos, diodos emisores de luz y cristales líquidos.

Todas ellas buscan su aplicación en los diferentes sectores de la industria de los dispositivos de visualización, que van desde un tamaño tan pequeño como el de la pantalla de un teléfono móvil a uno tan grande como el de una pantalla panorámica.

Fibras ultra-resistentes

Un ejemplo muy significativo del grado de control que puede ejercerse sobre materiales lo constituyen los polímeros cristales líquidos. Combinan la facilidad de procesado en películas, fibras o moldes que ofrecen los polímeros con la autoorganización y anisotropía de las propiedades del estado cristal líquido. Uno de los casos más representativos es el kevlar, un polímero que presenta unas propiedades mecánicas excepcionales, superiores a las del acero en relación propiedad – peso. Las sorprendentes propiedades del kevlar se basan en la obtención de fibras de una poliamida en ácido sulfúrico cuando se ha formado una fase cristal líquido de tipo liótropo. En este estado, las moléculas interaccionan entre sí y se organizan con una perfecta orientación longitudinal, ordenación que se mantiene después de eliminar el ácido sulfúrico y tener así la fibra lista ara trabajar con ella. Esta autoorganización a lo largo del radio y del eje de la fibra es la responsable última de sus excelentes propiedades tensiles, que les ha permitido competir en la fabricación de neumáticos, cables, cuerdas, chalecos antibalas, cascos militares, guantes de protección…

Cosmética

También el mundo de la cosmética se ha visto influenciado por los cristales líquidos. Al igual que las membranas celulares, formadas por cristales líquidos, el objetivo de la cosmética es formar liposomas, es decir, una esfera hueca donde la superficie está formada por fosfolípidos u otros derivados lipídicos, al igual que algunos órganos celulares. Estas esferas pueden almacenar en su interior principios activos que pueden ir soltando poco a poco.

CIENCIA, ARTE Y BELLEZA

La investigación en cristales líquidos tiene algunos instantes próximos al estudio de una obra de arte. Ese momento llega cuando el científico se asoma a un microscopio para observarlos bajo el efecto de polarizadores cruzados: las singulares texturas coloreadas a que dan lugar son todo un espectáculo. El fenómeno está relacionado con una propiedad llamada birrefrigencia (o doble refracción), que es inherente a todas las estructuras ordenadas y se debe a que la velocidad de la luz en un medio anisótropo –como en los cristales líquidos- depende de la dirección.

Cuando se observa un cristal líquido en el microscopio, y entre polarizadores cruzados, algunas zonas aparecen claras, otras oscuras, y también aparecen zonas de colores diferentes. Estas zonas corresponden a regiones de diferente grosor, con diferente birrefrigencia o con diferente orientación de las moléculas, que dan lugar a curiosas imágenes multicolores, en muchos casos características de cada tipo de ordenación del propio cristal líquido.

EN EL ICMA

El ICMA se ha dedicado al diseño, síntesis y caracterización de cristales líquidos orgánicos con mejores y nuevas propiedades no sólo ópticas sino también eléctricas o magnéticas. Por el carácter interdisciplinar del tema, el grupo formado por químicos colabora con grupos de físicos del ICMA y de universidades españolas y extranjeras, así como con equipos de empresas europeas como Philips y Merck, en la búsqueda de nuevos materiales y su posterior aplicación.

También investigamos en nuevas propiedades y aplicaciones de los cristales líquidos: así, en un futuro podremos usarlos den memorias ópticas, para guardar información. El nivel de almacenamiento es impresionante: sabemos que en un polímero, una molécula hecha a partir de otras más pequeñas, podemos “grabar” mil libros…

Otra de las líneas de investigación es en polímeros cristal líquido con altas prestaciones mecánicas. Se trata de buscar materiales similares al kevlar, pero más fáciles de procesar- la tecnología necesaria para fabricar estos materiales es muy complicada y sólo está al alcance de unas pocas multinacionales.

 

 
 
 
 
 



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