Cristal liquido

Textura Schlieren de 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 como un cristal. Hay muchos tipos de fases LC, que se pueden distinguir por sus propiedades ópticas (como texturas). Las texturas contrastantes surgen debido a que las moléculas dentro de un área de material ("dominio") están orientadas en la misma dirección pero diferentes áreas tienen diferentes orientaciones. Es posible que los materiales de LC no siempre estén en un estado de la materia de LC (al igual que el agua puede ser hielo o vapor de agua).

Los cristales líquidos se pueden dividir en 3 tipos principales:

• termotrópico,
• Iotropic, and
• metallotrópico.

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 además de la relación de composición inorgánica-orgánica.

Existen ejemplos de LC tanto en el mundo natural como en aplicaciones tecnológicas. Las CL liotrópicas abundan en los sistemas vivos; muchas proteínas y membranas celulares son LC, así como el virus del mosaico del tabaco. Las CL en el mundo de los minerales 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 austriaco Friedrich Reinitzer, que trabajaba en la Karl-Ferdinands-Universität, examinó las propiedades fisicoquímicas de varios derivados del colesterol que ahora pertenecen a la clase de materiales conocidos como cristales líquidos colestéricos. Previamente, otros investigadores habían observado distintos efectos de color al enfriar los derivados del colesterol justo por encima del punto de congelación, pero no lo habían asociado con un nuevo fenómeno. Reinitzer percibió que los cambios de color en un derivado del benzoato de colesterilo no eran la característica más peculiar.

Estructura química de la molécula de colesterilo benzoato

Descubrió que el benzoato de colesterilo no se derrite de la misma manera que otros compuestos, sino que tiene dos puntos de fusión. A 145,5 °C (293,9 °F) se derrite en un líquido turbio, y a 178,5 °C (353,3 °F) se vuelve a derretir y el líquido turbio se vuelve transparente. El fenómeno es reversible. Buscando la ayuda de un físico, el 14 de marzo de 1888, le escribió a Otto Lehmann, en ese momento un 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" 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.

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, el reflejo de la luz polarizada circularmente y la capacidad de rotar el 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 posdoctorales había adquirido experiencia en cristalografía y microscopía. Lehmann inició un estudio sistemático, primero del benzoato de colesterilo y luego de compuestos relacionados que exhibían el fenómeno de doble fusión. Pudo hacer observaciones en luz polarizada y su microscopio estaba equipado con una platina caliente (soporte de muestra equipado con un calentador) que permitía realizar observaciones a alta temperatura. La fase turbia intermedia claramente mantuvo el flujo, pero otras características, particularmente la firma bajo un microscopio, convencieron a Lehmann de que estaba tratando con un sólido. A finales de agosto de 1889 había publicado sus resultados en Zeitschrift für Physikalische Chemie.

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.

Después de la Segunda Guerra Mundial, se reinició el trabajo de síntesis de cristales líquidos en los laboratorios de investigación universitarios de Europa. George William Gray, un destacado investigador de cristales líquidos, comenzó a investigar estos materiales en Inglaterra a fines de la década de 1940. Su grupo sintetizó muchos materiales nuevos que exhibían el estado cristalino líquido y desarrolló una mejor comprensión de cómo diseñar moléculas que exhiban ese estado. Su libro Estructura molecular y propiedades de los cristales líquidos se convirtió en una guía sobre el tema. Uno de los primeros químicos estadounidenses en estudiar los cristales líquidos fue Glenn H. Brown, que comenzó en 1953 en la Universidad de Cincinnati y luego en la Universidad Estatal de Kent. En 1965, organizó la primera conferencia internacional sobre cristales líquidos en Kent, Ohio, a la que asistieron 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.

Los materiales de cristal líquido se convirtieron en un foco de investigación en el desarrollo de pantallas electrónicas de panel plano a partir de 1962 en RCA Laboratories. 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 que llamó dominios (ahora conocidos como dominios de Williams). Esto llevó a su colega George H. Heilmeier a realizar una investigación sobre una pantalla plana de cristal líquido para reemplazar el tubo de vacío de rayos catódicos que se usa en los televisores. Pero el para-azoxianisol que usaron Williams y Heilmeier exhibe el estado de cristal líquido nemático solo por encima de los 116 °C, lo que hizo que su uso en un producto de exhibición comercial fuera poco práctico. 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 de RCA, descubrieron que las mezclas hechas exclusivamente de compuestos nemáticos que diferían solo en el número de átomos de carbono en las cadenas laterales terminales podían producir espacio. Cristales líquidos nemáticos de temperatura. Una mezcla ternaria de compuestos de base de Schiff dio como resultado un material que tenía un rango nemático de 22 a 105 °C. El funcionamiento a temperatura ambiente permitió fabricar el primer dispositivo práctico de visualización. 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 temperatura de funcionamiento eventualmente se convirtió en el estándar de la industria y todavía se usa para adaptar materiales para cumplir con aplicaciones específicas.

Estructura química de la molécula N-(4-metoxibenzylidene)-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 del cristal líquido. El siguiente paso para la comercialización de pantallas de cristal líquido fue la síntesis de otras sustancias químicamente estables (cianobifenilos) con bajas temperaturas de fusión por parte de George Gray. Ese trabajo con Ken Harrison y el Ministerio de Defensa del Reino Unido (RRE Malvern), en 1973, condujo al diseño de nuevos materiales que dieron como resultado la rápida adopción de pantallas LCD de área pequeña dentro de los productos electrónicos.

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

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

Diseño de materiales cristalinos líquidos

Se sabe que un gran número de compuestos químicos exhiben una o varias fases cristalinas líquidas. A pesar de las diferencias significativas en la composición química, estas moléculas tienen algunas características comunes en las propiedades químicas y físicas. Hay tres tipos de cristales líquidos termotrópicos: moléculas discóticas, cónicas (bowlic) y en forma de varilla. Los discóticos son moléculas en forma de disco que consisten en un núcleo plano de anillos aromáticos adyacentes, mientras que el núcleo en un LC cónico no es plano, sino que tiene forma de cuenco de arroz (un objeto tridimensional). Esto permite la ordenación 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 fina, plana o conica, especialmente dentro de marcos moleculares rígidos.
• La longitud molecular debe ser por lo menos 1.3 nm, consistente con la presencia de largo grupo alquil en muchos cristales líquidos de temperatura ambiente.
• La estructura no debe ser ramificada o angular, excepto para el LC cónico.
• Un punto de derretimiento bajo es preferible para evitar fases cristalinas metálicas y monotrópicas. El comportamiento mesomorfico de baja temperatura en general es tecnológicamente más útil, y los grupos terminales alquiles promueven esto.

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.

Fases de cristal líquido

Las distintas fases de cristal líquido (llamadas mesofases) se pueden caracterizar por el tipo de ordenación. Se puede distinguir el orden posicional (si las moléculas están dispuestas en algún tipo de red ordenada) y el orden orientacional (si las moléculas apuntan en su mayoría en la misma dirección), y además el orden puede ser de corto alcance (solo entre moléculas cercanas entre sí) o de largo alcance (que se extiende a dimensiones más grandes, a veces macroscópicas). La mayoría de los LC termotrópicos tendrán una fase isotrópica a alta temperatura. Es decir, el calentamiento eventualmente los conducirá a una fase líquida convencional caracterizada por un orden molecular aleatorio e isotrópico (orden de rango pequeño o nulo) y un comportamiento de flujo similar al de un fluido. Bajo 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 aún tiene la capacidad de fluir.

El orden de las fases cristalinas líquidas es extenso en la escala molecular. Este orden se extiende hasta el tamaño del dominio completo, que puede ser del orden de micrómetros, pero normalmente no se extiende a la escala macroscópica como suele ocurrir 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 solo dominio ordenado en una muestra macroscópica de cristal líquido. El orden de orientación en un cristal líquido podría extenderse a lo largo de una sola dimensión, estando el material esencialmente desordenado en las otras dos direcciones.

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 una temperatura demasiado baja, la mayoría de los materiales de LC formarán un cristal convencional. Muchos LC termotrópicos exhiben una variedad de fases a medida que cambia la temperatura. Por ejemplo, al calentar un tipo particular de molécula de LC (llamada mesógeno) puede exhibir varias fases esmécticas seguidas por 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.

Fase nemática

Alineación en una fase nemática

Transición de fase entre las fases nemáticas (izquierda) y esmectica A (derecha) observadas 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 longitudinales aproximadamente paralelos. Las moléculas pueden fluir libremente y las posiciones de su centro de masa se distribuyen aleatoriamente como en un líquido, pero su orientación está restringida para formar un orden direccional de largo alcance.

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

Nematics también exhibe el llamado "hedgehog" defectos topológicos. En dos dimensiones, hay defectos topológicos con cargas topológicas +1/2 y -1/2. Debido a la hidrodinámica, +1/2 el defecto se mueve considerablemente más rápido que la clase -1/2 defecto. Cuando se colocan cerca unos de otros, los defectos se atraen; al chocar, se aniquilan.

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. 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 las pantallas de cristal líquido (LCD).

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

Fases esmécticas

Esquema de alineación en las fases del medio. La fase smectic A (izquierda) tiene moléculas organizadas en capas. En la fase C (derecha), las moléculas se inclinan 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 al jabón. La palabra "esmético" se origina de la palabra latina "smecticus", que significa limpieza o que tiene propiedades jabonosas. Los esmécticos están así ordenados posicionalmente a lo largo de una dirección. En la fase Smectic A, las moléculas están orientadas a lo largo de la capa normal, mientras que en la fase Smectic C están inclinadas 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. Más allá de las moléculas orgánicas, también se ha informado que el ordenamiento esméctico ocurre dentro de suspensiones coloidales de materiales bidimensionales o nanoláminas. Un ejemplo de CL esmécticas es el p,p'-dinonilazobenceno.

Fases quirales o nemática torcida

Esquema de ordenar en fases de cristal líquido quiral. La fase nemática chiral (izquierda), también llamada fase colesterica, y la fase smectic C* (derecha).

La fase nemática quiral exhibe quiralidad (partididad). Esta fase a menudo se denomina fase colestérica porque se observó por primera vez para los derivados del colesterol. Sólo las moléculas quirales pueden dar lugar a tal fase. Esta fase exhibe una torsión de las moléculas perpendiculares al director, con el eje molecular paralelo al director. El ángulo de giro 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 orden posicional en una estructura en capas (como en las otras fases esmécticas), con las moléculas inclinadas por un ángulo finito con respecto a la capa normal. La quiralidad induce un giro azimutal finito de una capa a la siguiente, produciendo un giro en espiral del eje molecular a lo largo de la normal de la capa, por lo que también se denominan nemáticas retorcidas.

Fase nemática de Chiral; p se refiere al campo de chiral (ver texto)

El tono quiral, p, se refiere a la distancia sobre la cual las moléculas de LC experimentan un giro completo de 360° (pero tenga en cuenta que la estructura de la fase nemática quiral se repite cada medio tono, ya que en esta fase los directores a 0° y ±180° son equivalentes). El tono, p, generalmente 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 dado sea sintonizado en consecuencia. En algunos sistemas de cristal líquido, el tono es del mismo orden que la longitud de onda de la luz visible. Esto hace que estos sistemas muestren propiedades ópticas únicas, como la reflexión de Bragg y la emisión láser de bajo umbral, y estas propiedades se aprovechan en una serie de aplicaciones ópticas. Para el caso de la reflexión de Bragg, solo se permite la reflexión de orden inferior 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 que reflejan luz polarizada circularmente cuando incide a lo largo del eje helicoidal y polarizada elípticamente si llega oblicuamente.

Una célula planar, llena de anfitriones Achiral LC dopado con un analógico base Tröger ópticamente activo, colocado entre un par de polarizadores lineales paralelos (A) y cruzados (B). Esta fase mesógena dopada forma superestructuras helicales autoorganizadas, que permiten longitudes de onda específicas de luz pasar por los polarizadores cruzados, y refleja selectivamente una longitud de onda particular de luz.

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 periodos 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. Se predijo teóricamente en 1981 que estas fases pueden poseer una simetría icosaédrica similar a los cuasicristales.

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

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 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 individual es limitado (en el rango de micrómetros). Recientemente, las fases azules obtenidas como cristales fotónicos 3D ideales en grandes volúmenes se han estabilizado y producido con diferentes orientaciones de red cristalina controladas.

Fases discóticas

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

Fases cónicas

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

Cristales líquidos liotrópicos

Estructura de cristal líquido lyotrópico. Las cabezas rojas de moléculas surfactantes están en contacto con el agua, mientras que las colas están inmersas en aceite (azul): bilayer (izquierda) y micelle (derecha).

Un cristal líquido liotrópico consta de dos o más componentes que muestran propiedades de cristal líquido en ciertos rangos de concentración. En las fases liotrópicas, las moléculas de solvente llenan el espacio alrededor de los compuestos para proporcionar fluidez al sistema. 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 hidrofílicas e hidrofóbicas inmiscibles dentro de la misma molécula se denomina molécula anfifílica. Muchas moléculas anfifílicas muestran secuencias de fases líquido-cristalinas liotrópicas dependiendo de los balances de volumen entre la parte hidrofílica y la parte hidrofóbica. Estas estructuras se forman a través de la segregación en microfases de dos componentes incompatibles a escala nanométrica. El jabón es un ejemplo cotidiano de cristal líquido liotrópico.

El contenido de agua u otras moléculas de disolvente cambia las estructuras autoensambladas. A muy baja concentración de anfífilos, las moléculas se dispersarán aleatoriamente sin ningún orden. A una concentración ligeramente más alta (pero aún baja), las moléculas anfifílicas se ensamblarán espontáneamente en micelas o vesículas. Esto se hace para 'ocultar' la cola hidrofóbica del anfífilo dentro del núcleo de la micela, exponiendo una superficie hidrofílica (soluble en agua) a la solución acuosa. Sin embargo, estos objetos esféricos no se ordenan en solución. A mayor concentración, las asambleas se ordenarán. Una fase típica es una fase columnar hexagonal, donde los anfífilos forman cilindros largos (nuevamente con una superficie hidrófila) que se organizan en una red aproximadamente hexagonal. Esto se llama la fase de jabón medio. A una concentración aún mayor, se puede formar una fase lamelar (fase de jabón puro), en la que láminas extendidas de anfífilos están separadas por finas capas de agua. Para algunos sistemas, puede existir una fase cúbica (también llamada isotrópica viscosa) entre las fases hexagonal y lamelar, 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 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 autoensambladas anisotrópicas pueden luego ordenarse de la misma manera que lo hacen los cristales líquidos termotrópicos, formando versiones a gran escala de todas las fases termotrópicas (como una fase nemática de micelas en forma de varilla).

Para algunos sistemas, a altas concentraciones, se observan fases inversas. Es decir, se puede generar una fase columnar hexagonal inversa (columnas de agua encapsuladas por 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 distinua (fase cúbica de la memoria)
• Fase hexagonal (fase hexagonal columnar) (fase media)
• Fase de la fundición
• Fase cúbica bicontinua
• Fase hexagonal reversa
• Fase cúbica inversa (Fase micelular inversa)

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

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

Cristales líquidos metalotrópicos

Las fases de cristal líquido también pueden basarse en fases inorgánicas de bajo punto de fusión como ZnCl2 que tienen una estructura formada por tetraedros enlazados y forman fácilmente vidrios. La adición de moléculas jabonosas de cadena larga conduce a una serie de nuevas fases que muestran una variedad de comportamiento cristalino líquido tanto en función de la relación de composición inorgánica-orgánica como de la temperatura. Esta clase de materiales se ha denominado metalotrópico.

Análisis de laboratorio de mesofases

Las mesofases termotrópicas se detectan y caracterizan mediante dos métodos principales, el método original fue el uso de microscopía óptica térmica, en la que se colocó una pequeña muestra del material entre dos polarizadores cruzados; luego se calentó y enfrió la muestra. 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 generará gradientes de brillo y color. Este método permite la caracterización de la fase particular, ya que las diferentes fases están definidas por su orden particular, que debe ser observado. El segundo método, la calorimetría diferencial de barrido (DSC), 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 requerido para mantener esta tasa de calentamiento o enfriamiento cambiará. Estos cambios se pueden observar y atribuir a varias transiciones de fase, como transiciones clave de cristal líquido.

Las mesofases liotrópicas se analizan de manera similar, aunque estos experimentos son algo más complejos, ya que la concentración de mesógeno es un factor clave. Estos experimentos se realizan a 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. 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 (p. ej., fosfolípidos) son perpendiculares a la superficie de la membrana, pero la membrana es flexible. Estos lípidos varían en forma (consulte la página sobre polimorfismo de lípidos). Las moléculas constituyentes pueden entremezclarse fácilmente, pero tienden a no salir de la membrana debido al alto requerimiento de energía de este proceso. Las moléculas de lípidos pueden voltearse de un lado a otro de la membrana, este proceso es catalizado por flippasas 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, p. 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 en la seda es fundamental para su reconocida fuerza. El ADN y muchos polipéptidos, incluidos los filamentos del citoesqueleto impulsados activamente, 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. Juntas, estas aplicaciones biológicas de los cristales líquidos forman una parte importante de la investigación académica actual.

Cristales líquidos minerales

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

Con el rápido desarrollo de las nanociencias y la síntesis de muchas nanopartículas anisotrópicas nuevas, la cantidad de tales cristales líquidos minerales está aumentando rápidamente, por ejemplo, con nanotubos de carbono y grafeno. Incluso se descubrió una fase lamelar, H₃Sb₃P₂O₁₄, que presenta una hiperhinchazón de hasta ~ 250 nm para la distancia interlaminar.

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 (digitación viscosa) hace que la orientación de las moléculas se acople con el flujo, con la aparición resultante de patrones dendríticos. 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 dependiendo del cambio de temperatura. 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 en la forma final.

Tratamiento teórico de los cristales líquidos

El tratamiento teórico microscópico de las fases fluidas puede volverse bastante complicado debido a la alta densidad del material, lo que significa que no se pueden ignorar las interacciones fuertes, las repulsiones del 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.

Directora

Como ya vimos anteriormente, los cristales líquidos nemáticos están compuestos de moléculas en forma de varilla 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 la vecindad de cualquier punto. Debido a que no hay polaridad física a lo largo del eje director, n y -n son totalmente equivalentes.

Parámetro de pedido

El local nematic director, que es también el eje óptico local, se da por el promedio espacial y temporal de los ejes moleculares largos

La descripción de los cristales líquidos implica un análisis del orden. Un parámetro de orden de tensor simétrico de segundo rango Q{displaystyle Q} se utiliza para describir el orden orientativo del cristal líquido nemático biaxial más general. Sin embargo, para describir el caso más común de cristales líquidos no iaxiales, basta un parámetro de orden escalar. Para hacer esto cuantitativo, un parámetro de orden orientativo se define generalmente basado en el promedio del segundo polinomio Legendre:

S=.. P2()#⁡ ⁡ Silencio Silencio ).. =.3#2⁡ ⁡ ()Silencio Silencio )− − 12.{displaystyle S=langle P_{2}(cos theta)rangle =leftlangle {frac {3cos ^{2}(theta)-1}{2}rightrangle }

Donde Silencio Silencio {displaystyle theta } es el ángulo entre el eje molecular de cristal líquido y el local director (que es la 'dirección preferida' en un elemento de volumen de una muestra de cristal líquido, también representando 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 típica de cristal líquido, S está en el orden de 0,3 a 0,8, y generalmente disminuye a medida que la temperatura se eleva. En particular, se observa una fuerte caída del parámetro de orden a 0 cuando el sistema pasa por una transición de fase LC a la fase isotrópica. El parámetro de orden se puede medir experimentalmente de varias maneras; por ejemplo, diamagnetismo, birefringencia, dispersión de Raman, NMR y EPR se puede utilizar para determinar S.

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 señalar en cualquiera de las dos direcciones antiparalelas). Estos promedios de orden superior son más difíciles de medir, pero pueden brindar información adicional sobre el orden molecular.

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 dado. En el caso de variación posicional a lo largo de la z-eje la densidad *** *** ()z){displaystyle rho (z)} a menudo se da por:

*** *** ()r)=*** *** ()z)=*** *** 0+*** *** 1#⁡ ⁡ ()qsz− − φ φ )+⋯ ⋯ {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 ↑ ↑ ()r)=*** *** 1()r)eiφ φ ()r){displaystyle psi (mathbf {r})=rho _{1}(mathbf {r})e^{ivarphi (mathbf {r})}}} y *** *** 0{displaystyle rho _{0} la densidad promedio. Típicamente sólo se mantienen los dos primeros términos y se ignoran los términos de orden más altos ya que la mayoría de las fases se pueden describir adecuadamente utilizando funciones sinusoidales. Para un perfecto nematic ↑ ↑ =0{displaystyle psi =0} y para una fase próspera ↑ ↑ {displaystyle psi } asumirá valores complejos. La naturaleza compleja de este parámetro de orden permite muchos paralelos entre las transiciones de fases nemáticas a smectic y el conductor a transiciones superconductores.

Modelo de barra dura Onsager

Un modelo simple que predice las transiciones de fase liotrópicas es el modelo rígido 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 el 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 cilindros idealizados). objetos). 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).

La idea fundamental aquí es que, mientras que los arreglos paralelos de objetos anisotrópicos conducen a una disminución en la entropía orientacional, hay un aumento en la entropía posicional. Así, en algunos casos, un mayor orden posicional será entrópicamente favorable. Esta teoría predice que una solución de objetos en forma de varilla sufrirá una transición de fase, a una concentración suficiente, a una fase nemática. Aunque este modelo es conceptualmente útil, su formulación matemática hace varias suposiciones que limitan su aplicabilidad a sistemas reales.

Teoría del campo medio de Maier-Saupe

Esta teoría estadística, propuesta por Alfred Saupe y Wilhelm Maier, incluye contribuciones de un atractivo potencial intermolecular de un momento dipolar inducido entre moléculas de cristal líquido con forma de barra adyacentes. La atracción anisotrópica estabiliza la alineación paralela de las moléculas vecinas, y la teoría entonces considera un promedio de campo medio de la interacción. Resuelta de manera coherente, esta teoría predice transiciones de fase termotrópicas nemáticas-isotrópicas, de acuerdo con el experimento. La teoría del campo medio de Maier-Saupe se extiende a los cristales líquidos de alto peso molecular mediante la incorporación de la rigidez a la flexión de las moléculas y el uso del método de las integrales de trayectoria en la ciencia de los polímeros.

Modelo de McMillan

El modelo de McMillan, propuesto por William McMillan, 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 punto crítico triple donde se encuentran la fase A nemática, isotrópica y esméctica. Aunque predice la existencia de un punto crítico triple, 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:

σ σ =.#⁡ ⁡ ()2π π zid)()32#2⁡ ⁡ ()Silencio Silencio i)− − 12).{displaystyle sigma =leftlangle cos left({frac {2pi ¿Qué? {3}{2}cos ^{2}left(theta _{i}right)-{frac {1}{2}right)rightrangle }

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 espaciamiento de las capas. La energía potencial postulada de una sola molécula viene dada por:

Ui()Silencio Silencio i,zi)=− − U0()S+α α σ σ #⁡ ⁡ ()2π π zid))()32#2⁡ ⁡ ()Silencio Silencio i)− − 12){displaystyle U_{i}(theta) ¿Por qué? sigma cos left({frac {2pi Bien. {3}{2}cos ^{2}left(theta _{i}right)-{frac {1}{2}right)}

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

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 supuestamente orientada. Las distorsiones del cristal líquido se describen comúnmente por la densidad de energía libre de Frank. Se pueden identificar tres tipos de distorsiones que podrían ocurrir en una muestra orientada: (1) giros del material, donde las moléculas vecinas se ven obligadas a inclinarse entre sí, en lugar de alinearse; (2) ensanchamiento del material, donde la flexión ocurre perpendicular al director; y (3) curvatura del material, donde la distorsión es paralela al eje director y molecular. Los tres tipos de distorsiones incurren en una penalización energética. Son distorsiones que son inducidas por las condiciones de contorno en las paredes del dominio o el contenedor 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.

Influencias externas sobre los cristales líquidos

Los científicos e ingenieros pueden usar cristales líquidos en una variedad de aplicaciones porque la perturbación externa puede causar cambios significativos en las propiedades macroscópicas del sistema de cristal líquido. Tanto los campos eléctricos como los magnéticos pueden usarse 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 enfrenta la industria. Se pueden usar tratamientos superficiales especiales en dispositivos de cristal líquido para forzar orientaciones específicas del director.

Efectos de campos eléctricos y magnéticos

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.

Incluso si una molécula no forma un dipolo permanente, aún puede verse influenciada por un campo eléctrico. En algunos casos, el campo produce un ligero reordenamiento de electrones y protones en las moléculas, de modo que resulta un dipolo eléctrico inducido. Si bien no es tan fuerte como los dipolos permanentes, aún ocurre la orientación con el campo externo.

La respuesta de cualquier sistema a un campo eléctrico externo es

Di=ε ε 0Ei+Pi{displaystyle D_{i}=epsilon ¿Qué?

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

fElec=− − 12DiEi{displaystyle f_{text{elec}=-{frac {1} {2}D_{i}E_{i}

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

Di=ε ε 0ε ε ⊥ ⊥ Ei+()ε ε ∥ ∥ − − ε ε ⊥ ⊥ )ninjEj{displaystyle D_{i}=epsilon Epsilon _{i}+left(epsilon) ¿Qué?

(Comentación sobre el índice j{displaystyle j}Con ε ε ⊥ ⊥ {displaystyle epsilon _{bot } y ε ε ∥ ∥ {displaystyle epsilon _{parallel } el permiso eléctrico paralelo y perpendicular al director n{displaystyle n}. Entonces la densidad de energía es (ignorando los términos constantes que no contribuyen a la dinámica del sistema)

fElec=− − 12ε ε 0()ε ε ∥ ∥ − − ε ε ⊥ ⊥ )()Eini)2{displaystyle f_{text{elec}=-{frac {1}{2}epsilon _{0}left(epsilon _{parallel }-epsilon _{bot }right)left(E_{i}n_{i}right)^{2}

(continuación) i{displaystyle i}). Si ε ε ∥ ∥ − − ε ε ⊥ ⊥ {displaystyle epsilon _{parallel }-epsilon _{bot } es positivo, entonces el mínimo de la energía se logra cuando E{displaystyle E} y n{displaystyle n} son paralelos. Esto significa que el sistema favorecerá alinear el cristal líquido con el campo eléctrico aplicado externamente. Si ε ε ∥ ∥ − − ε ε ⊥ ⊥ {displaystyle epsilon _{parallel }-epsilon _{bot } es negativo, entonces el mínimo de la energía se consigue cuando E{displaystyle E} y n{displaystyle n} son perpendiculares (en nematics la orientación perpendicular es degenerada, haciendo posible el surgimiento de vórtices).

La diferencia Δ Δ ε ε =ε ε ∥ ∥ − − ε ε ⊥ ⊥ {displaystyle Delta epsilon =epsilon _{parallel }-epsilon _{bot } se llama anisotropía dielectrical y es un parámetro importante en aplicaciones de cristal líquido. Hay ambos 0}" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">Δ Δ ε ε ■0{displaystyle Delta epsilon0}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a699942f96ac4737531138f227b7b4bd6198461c" style="vertical-align: -0.338ex; width:7.141ex; height:2.176ex;"/> y <math alttext="{displaystyle Delta epsilon Δ Δ ε ε .0{displaystyle Delta epsilon #<img alt="{displaystyle Delta epsilon cristales líquidos comerciales. 5CB y la mezcla de cristal líquido E7 son dos 0}" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">Δ Δ ε ε ■0{displaystyle Delta epsilon0}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a699942f96ac4737531138f227b7b4bd6198461c" style="vertical-align: -0.338ex; width:7.141ex; height:2.176ex;"/> cristales líquidos utilizados comúnmente. MBBA es común <math alttext="{displaystyle Delta epsilon Δ Δ ε ε .0{displaystyle Delta epsilon #<img alt="{displaystyle Delta epsilon cristal líquido.

Los efectos de los campos magnéticos en las moléculas de cristal líquido son análogos a los campos eléctricos. Debido a que los campos magnéticos son generados por 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. Radiación electromagnética, p. La luz visible UV puede influir en los cristales líquidos sensibles a la luz que llevan principalmente al menos una unidad fotoconmutable.

Preparaciones de superficies

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 en una dirección específica introduciendo un agente externo al sistema. Por ejemplo, cuando una fina capa de polímero (generalmente una poliimida) se extiende sobre un sustrato de vidrio y se frota en una sola dirección con un paño, se observa que las moléculas de cristal líquido en contacto con esa superficie se alinean con la dirección de frotamiento. Se cree que el mecanismo actualmente aceptado para esto es un crecimiento epitaxial de las capas de cristal líquido en las cadenas de polímero parcialmente alineadas en las capas 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 alineado por un campo eléctrico de luz polarizada. Este proceso se llama fotoalineación.

Transición de Frederick

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

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

Efecto de quiralidad

Como ya se ha descrito, las moléculas de cristal líquido quirales suelen dar lugar a mesofases quirales. Esto significa que la molécula debe poseer alguna forma de asimetría, generalmente un centro estereogénico. Un requisito adicional es que el sistema no sea racémico: una mezcla de moléculas levógiras y levógiras cancelará el efecto quiral. Sin embargo, debido a la naturaleza cooperativa de la ordenación del cristal líquido, una pequeña cantidad de dopante quiral en una mesofase 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 tener una torsión helicoidal de las moléculas. Si el tono de este giro es del orden de la longitud de onda de la luz visible, se pueden observar interesantes efectos de interferencia óptica. La torsión quiral que ocurre en las fases LC quirales también hace que el sistema responda de manera diferente a la luz polarizada circularmente hacia la derecha y hacia la izquierda. Estos materiales pueden así utilizarse como filtros de polarización.

Es posible que las moléculas de LC quirales produzcan mesofases esencialmente aquirales. Por ejemplo, en ciertos rangos de concentración y peso molecular, el ADN formará una fase hexática de línea aquiral. Una observación reciente interesante es la formación de mesofases quirales a partir de moléculas 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. En cualquier muestra particular, varios dominios tendrán sentido opuesto, pero dentro de cualquier dominio dado, estará presente un fuerte ordenamiento 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, ambas de interés para aplicaciones.

La quiralidad también se puede incorporar a una fase agregando un dopante quiral, que puede no formar LC en sí. Las mezclas nemáticas retorcidas o superretorcidas contienen a menudo una pequeña cantidad de tales dopantes.

Aplicaciones de 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" mostrado en un LCD

Los cristales líquidos encuentran un amplio uso en las pantallas de cristal líquido, que se basan en las propiedades ópticas de ciertas sustancias cristalinas líquidas en presencia o ausencia de un campo eléctrico. En un dispositivo típico, una capa de cristal líquido (normalmente de 4 μm de espesor) se encuentra entre dos polarizadores que se cruzan (orientados a 90° entre sí). La alineación del cristal líquido se elige de modo que su fase relajada sea una torcida (ver efecto de campo nemático torcido). 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). El dispositivo aparece así transparente. Cuando se aplica un campo eléctrico a la capa de LC, los ejes moleculares largos tienden a alinearse en paralelo al campo eléctrico, por lo que se deshacen gradualmente en el centro de la capa de cristal líquido. En este estado, las moléculas de LC no reorientan la luz, por lo que la luz polarizada en el primer polarizador se absorbe en el segundo polarizador y el dispositivo pierde transparencia al aumentar el voltaje. De esta forma, el campo eléctrico se puede usar para hacer que un píxel cambie entre transparente u opaco cuando se le ordene. Los sistemas LCD a color usan la misma técnica, con filtros de color para generar píxeles rojos, verdes y azules. Los cristales líquidos esmécticos quirales 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.

Los filtros sintonizables de cristal líquido se utilizan como dispositivos electroópticos, por ejemplo, en imágenes hiperespectrales.

Los LC quirales termotrópicos cuyo tono varía mucho con la temperatura se pueden usar como termómetros de cristal líquido crudos, ya que el color del material cambiará a medida que cambie el tono. Las transiciones de color de cristal líquido se utilizan en muchos termómetros para acuarios y piscinas, así como en termómetros para bebés o baños. Otros materiales de cristal líquido cambian de color cuando se estiran o tensionan. 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.

Las lentes de cristal líquido convergen o divergen la luz incidente ajustando el índice de refracción de la capa de cristal líquido con voltaje o temperatura aplicados. En general, las lentes de cristal líquido generan una distribución de índice de refracción parabólica al disponer las orientaciones moleculares. Por lo tanto, una onda plana se transforma en un frente de onda parabólico por una lente de cristal líquido. La distancia focal de las lentes de cristal líquido podría sintonizarse continuamente cuando el campo eléctrico externo se puede sintonizar correctamente. Las lentes de cristal líquido son un tipo de óptica adaptativa. El sistema de imágenes se puede beneficiar con la corrección de enfoque, el ajuste del plano de la imagen o el cambio del rango de profundidad de campo o profundidad de enfoque. La lente de cristal líquido es una de las candidatas para desarrollar dispositivos de corrección de la visión para ojos con miopía y presbicia (por ejemplo, anteojos sintonizables y lentes de contacto inteligentes). Al ser un modulador de fase óptica, una lente de cristal líquido presenta una longitud de trayectoria óptica variable en el espacio (es decir, la longitud de trayectoria óptica en función de la coordenada de su pupila). En diferentes sistemas de imágenes, la función requerida de la longitud del camino óptico varía de uno a otro. Por ejemplo, para hacer converger una onda plana en un punto limitado por difracción, para una estructura de cristal líquido físicamente plana, el índice de refracción de la capa de cristal líquido debe ser esférico o paraboloidal bajo aproximación paraxial. En cuanto a la proyección de imágenes o la detección de objetos, se puede esperar que la lente de cristal líquido tenga una distribución asférica de la longitud del camino óptico a través de su apertura de interés. Las lentes de cristal líquido con índice de refracción sintonizable eléctricamente (al abordar la diferente magnitud del campo eléctrico en la capa de cristal líquido) tienen potencial para lograr una función arbitraria de la longitud del camino óptico para modular el frente de onda entrante; Los elementos ópticos de forma libre de cristal líquido actuales se extendieron desde la lente de cristal líquido con los mismos mecanismos ópticos. Las aplicaciones de lentes de cristales líquidos incluyen picoproyectores, lentes recetados (gafas 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 bajo umbral y alto rendimiento con emisión monocromática estable.

Las láminas y los rollos de cristal líquido disperso de polímero (PDLC) están disponibles como película inteligente con reverso adhesivo que se puede aplicar a las 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 dependiendo de su concentración en agua.

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, máquinas 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.

Los cristales líquidos también se usan como tecnología básica para imitar computadoras cuánticas, usando campos eléctricos para manipular la orientación de las moléculas de cristal líquido, almacenar datos y codificar un valor diferente para cada grado diferente de desalineación con otras moléculas.