Cristal líquido

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Estado de matéria com propriedades de líquidos e cristais convencionais

Textura de Schlieren da fase nemática de cristal líquido

Cristal líquido (LC) é um estado da matéria cujas propriedades estão entre as dos líquidos convencionais e as dos cristais sólidos. Por exemplo, um cristal líquido pode fluir como um líquido, mas suas moléculas podem estar orientadas de forma cristalina. Existem muitos tipos de fases LC, que podem ser distinguidas por suas propriedades ópticas (como texturas). As texturas contrastantes surgem devido a moléculas dentro de uma área de material ("domínio") sendo orientadas na mesma direção, mas áreas diferentes com orientações diferentes. Os materiais LC podem nem sempre estar em um estado LC da matéria (assim como a água pode ser gelo ou vapor de água).

Os cristais líquidos podem ser divididos em 3 tipos principais: termotrópicos, liotrópicos e metalotrópicos.

Cristais líquidos termotrópicos e liotrópicos consistem principalmente de moléculas orgânicas, embora alguns minerais também sejam conhecidos. LCs termotrópicos exibem uma transição de fase para a fase LC conforme as mudanças de temperatura. As LCs liotrópicas exibem transições de fase em função da temperatura e da concentração de moléculas em um solvente (normalmente água). CLs metalotrópicos são compostos de moléculas orgânicas e inorgânicas; sua transição LC depende adicionalmente da proporção de composição inorgânica-orgânica.

Existem exemplos de LCs tanto no mundo natural quanto em aplicações tecnológicas. LCs liotrópicos são abundantes em sistemas vivos; muitas proteínas e membranas celulares são LCs, assim como o vírus do mosaico do tabaco. LCs no mundo mineral incluem soluções de sabão e vários detergentes relacionados, e algumas argilas. Displays de cristal líquido (LCD) amplamente difundidos usam cristais líquidos.

História

Em 1888, o fisiologista botânico austríaco Friedrich Reinitzer, trabalhando na Karl-Ferdinands-Universität, examinou as propriedades físico-químicas de vários derivados do colesterol que agora pertencem à classe de materiais conhecidos como cristais líquidos colestéricos. Anteriormente, outros pesquisadores observaram efeitos de cor distintos ao resfriar derivados de colesterol logo acima do ponto de congelamento, mas não o associaram a um novo fenômeno. Reinitzer percebeu que as mudanças de cor em um benzoato de colesterol derivado não eram a característica mais peculiar.

Estrutura química da molécula de benzoato de colesteril

Ele descobriu que o benzoato de colesterila não derrete da mesma maneira que outros compostos, mas tem dois pontos de fusão. A 145,5 °C (293,9 °F) ele se funde em um líquido turvo e a 178,5 °C (353,3 °F) ele derrete novamente e o líquido turvo se torna límpido. O fenômeno é reversível. Buscando a ajuda de um físico, em 14 de março de 1888, escreveu a Otto Lehmann, na época um Privatdozent em Aachen. Eles trocaram cartas e amostras. Lehmann examinou o fluido turvo intermediário e relatou ter visto cristalitos. O colega vienense de Reinitzer, von Zepharovich, também indicou que o intermediário "fluido" era cristalino. A troca de cartas com Lehmann terminou em 24 de abril, com muitas perguntas sem resposta. Reinitzer apresentou seus resultados, com créditos para Lehmann e von Zepharovich, em uma reunião da Vienna Chemical Society em 3 de maio de 1888.

Naquela época, Reinitzer havia descoberto e descrito três características importantes dos cristais líquidos colestéricos (o nome cunhado por Otto Lehmann em 1904): a existência de dois pontos de fusão, a reflexão da luz polarizada circularmente e a capacidade de girar o direção de polarização da luz.

Depois de sua descoberta acidental, Reinitzer não continuou estudando os cristais líquidos. A pesquisa foi continuada por Lehmann, que percebeu que havia encontrado um novo fenômeno e estava em condições de investigá-lo: Em seus anos de pós-doutorado, adquiriu experiência em cristalografia e microscopia. Lehmann iniciou um estudo sistemático, primeiro do benzoato de colesterol e depois de compostos relacionados que exibiam o fenômeno de dupla fusão. Ele foi capaz de fazer observações em luz polarizada, e seu microscópio foi equipado com um estágio quente (porta-amostras equipado com um aquecedor) permitindo observações de alta temperatura. A fase turva intermediária claramente sustentou o fluxo, mas outras características, particularmente a assinatura sob um microscópio, convenceram Lehmann de que ele estava lidando com um sólido. No final de agosto de 1889, ele publicou seus resultados no Zeitschrift für Physikalische Chemie.

Otto Lehmann

O trabalho de Lehmann foi continuado e significativamente expandido pelo químico alemão Daniel Vorländer, que desde o início do século 20 até sua aposentadoria em 1935, sintetizou a maioria dos cristais líquidos conhecidos. No entanto, os cristais líquidos não eram populares entre os cientistas e o material permaneceu uma pura curiosidade científica por cerca de 80 anos.

Depois da Segunda Guerra Mundial, o trabalho de síntese de cristais líquidos foi reiniciado em laboratórios de pesquisa universitários na Europa. George William Gray, um proeminente pesquisador de cristais líquidos, começou a investigar esses materiais na Inglaterra no final dos anos 1940. Seu grupo sintetizou muitos novos materiais que exibiam o estado líquido cristalino e desenvolveram uma melhor compreensão de como projetar moléculas que exibem o estado. Seu livro Molecular Structure and the Properties of Liquid Crystals tornou-se um guia sobre o assunto. Um dos primeiros químicos americanos a estudar cristais líquidos foi Glenn H. Brown, começando em 1953 na Universidade de Cincinnati e depois na Kent State University. Em 1965, ele organizou a primeira conferência internacional sobre cristais líquidos, em Kent, Ohio, com a presença de cerca de 100 dos maiores cientistas de cristais líquidos do mundo. Esta conferência marcou o início de um esforço mundial para realizar pesquisas neste campo, o que logo levou ao desenvolvimento de aplicações práticas para estes materiais únicos.

Os materiais de cristal líquido tornaram-se um foco de pesquisa no desenvolvimento de monitores eletrônicos de tela plana a partir de 1962 nos Laboratórios RCA. Quando o físico-químico Richard Williams aplicou um campo elétrico a uma fina camada de um cristal líquido nemático a 125 °C, ele observou a formação de um padrão regular que chamou de domínios (agora conhecidos como Domínios de Williams). Isso levou seu colega George H. Heilmeier a realizar pesquisas sobre um monitor de tela plana baseado em cristal líquido para substituir o tubo de vácuo de raios catódicos usado em televisões. Mas o para-azoxianisole que Williams e Heilmeier usaram exibe o estado de cristal líquido nemático apenas acima de 116 °C, o que tornou impraticável o uso em um produto de exibição comercial. Era claramente necessário um material que pudesse ser operado à temperatura ambiente.

Em 1966, Joel E. Goldmacher e Joseph A. Castellano, químicos pesquisadores do grupo Heilmeier da RCA, descobriram que misturas feitas exclusivamente de compostos nemáticos que diferiam apenas no número de átomos de carbono nas cadeias laterais terminais poderiam render espaço- cristais líquidos nemáticos de temperatura. Uma mistura ternária de compostos de base de Schiff resultou em um material que tinha uma faixa nemática de 22–105 °C. A operação em temperatura ambiente permitiu que o primeiro dispositivo de exibição prático fosse feito. A equipe então preparou inúmeras misturas de compostos nemáticos, muitos dos quais tinham pontos de fusão muito mais baixos. Essa técnica de misturar compostos nemáticos para obter uma ampla faixa de temperatura operacional acabou se tornando o padrão da indústria e ainda é usada para adaptar materiais para atender a aplicações específicas.

Estrutura química da molécula N-(4-methoxybenzylidene)-4-butylaniline (MBBA)

Em 1969, Hans Kelker conseguiu sintetizar uma substância que tinha uma fase nemática à temperatura ambiente, N-(4-metoxibenzilideno)-4-butilanilina (MBBA), que é um dos assuntos mais populares da pesquisa de cristal líquido. O próximo passo para a comercialização de telas de cristal líquido foi a síntese de outras substâncias quimicamente estáveis (cianobifenis) com baixas temperaturas de fusão por George Gray. Esse trabalho com Ken Harrison e o UK MOD (RRE Malvern), em 1973, levou ao design de novos materiais, resultando na rápida adoção de LCDs de pequena área em produtos eletrônicos.

Essas moléculas são em forma de bastonetes, algumas criadas em laboratório e outras aparecendo espontaneamente na natureza. Desde então, dois novos tipos de moléculas de LC foram sintetizados: em forma de disco (por Sivaramakrishna Chandrasekhar na Índia em 1977) e em forma de cone ou tigela (previsto por Lui Lam na China em 1982 e sintetizado na Europa em 1985).

Em 1991, quando os monitores de cristal líquido já estavam bem estabelecidos, Pierre-Gilles de Gennes, trabalhando na Université Paris-Sud, recebeu o Prêmio Nobel de Física "por descobrir que métodos desenvolvidos para estudar fenômenos de ordem em sistemas simples podem ser generalizado para formas mais complexas de matéria, em particular para cristais líquidos e polímeros'.

Projeto de materiais cristalinos líquidos

Um grande número de compostos químicos é conhecido por exibir uma ou várias fases líquidas cristalinas. Apesar das diferenças significativas na composição química, essas moléculas têm algumas características comuns em propriedades químicas e físicas. Existem três tipos de cristais líquidos termotrópicos: moléculas discóticas, cônicas (bowlic) e em forma de bastonete. Discotics são moléculas semelhantes a discos que consistem em um núcleo plano de anéis aromáticos adjacentes, enquanto o núcleo em um LC cônico não é plano, mas tem a forma de uma tigela de arroz (um objeto tridimensional). Isso permite a ordenação colunar bidimensional, tanto para LCs discóticas quanto cônicas. Moléculas em forma de haste têm uma geometria anisotrópica alongada que permite o alinhamento preferencial ao longo de uma direção espacial.

A forma molecular deve ser relativamente fina, plana ou cônica, especialmente dentro de estruturas moleculares rígidas.
O comprimento molecular deve ser de pelo menos 1,3 nm, consistente com a presença de grupo de alquil longo em muitos cristais líquidos de temperatura ambiente.
A estrutura não deve ser ramificada ou angular, exceto para o LC conic.
Um ponto de fusão baixo é preferível para evitar fases cristalinas líquidas metatáveis e monotrópicas. O comportamento mesomorfo de baixa temperatura em geral é tecnologicamente mais útil, e os grupos terminais alcalinos promovem isso.

Uma forma extensa, estruturalmente rígida e altamente anisotrópica parece ser o principal critério para o comportamento do cristalino líquido e, como resultado, muitos materiais cristalinos líquidos são baseados em anéis de benzeno.

Fases de cristal líquido

As várias fases de cristal líquido (chamadas mesofases) podem ser caracterizadas pelo tipo de ordenação. Pode-se distinguir a ordem posicional (se as moléculas estão dispostas em qualquer tipo de rede ordenada) e a ordem orientacional (se as moléculas estão apontando principalmente na mesma direção) e, além disso, a ordem pode ser de curto alcance (apenas entre moléculas próximas umas das outras) ou de longo alcance (que se estende a dimensões maiores, às vezes macroscópicas). A maioria dos LCs termotrópicos terá uma fase isotrópica em alta temperatura. Ou seja, o aquecimento acabará por levá-los a uma fase líquida convencional caracterizada por ordenação molecular aleatória e isotrópica (pouca ou nenhuma ordem de longo alcance) e comportamento de fluxo semelhante ao fluido. Sob outras condições (por exemplo, temperatura mais baixa), um LC pode habitar uma ou mais fases com estrutura de orientação anisotrópica significativa e ordem de orientação de curto alcance enquanto ainda tem capacidade de fluir.

A ordenação das fases líquidas cristalinas é extensa na escala molecular. Essa ordem se estende até todo o tamanho do domínio, que pode ser da ordem de micrômetros, mas geralmente não se estende à escala macroscópica, como ocorre frequentemente em sólidos cristalinos clássicos. No entanto, algumas técnicas, como o uso de limites ou um campo elétrico aplicado, podem ser usadas para impor um único domínio ordenado em uma amostra macroscópica de cristal líquido. A ordenação orientacional em um cristal líquido pode se estender ao longo de apenas uma dimensão, com o material sendo essencialmente desordenado nas outras duas direções.

Cristais líquidos termotrópicos

Fases termotrópicas são aquelas que ocorrem em uma determinada faixa de temperatura. Se o aumento de temperatura for muito alto, o movimento térmico destruirá a delicada ordem cooperativa da fase LC, empurrando o material para uma fase líquida isotrópica convencional. Em temperaturas muito baixas, a maioria dos materiais LC formará um cristal convencional. Muitos LCs termotrópicos exibem uma variedade de fases à medida que a temperatura é alterada. Por exemplo, ao aquecer um tipo particular de molécula LC (chamada mesogen) pode exibir várias fases esméticas seguidas pela fase nemática e finalmente a fase isotrópica à medida que a temperatura aumenta. Um exemplo de um composto que exibe comportamento de LC termotrópico é o para-azoxianisole.

Fase nemática

Alinhamento em uma fase nemática

Transição de fase entre fases nemáticas (esquerda) e sméticas A (direita) observadas entre polarizadores cruzados. A cor preta corresponde ao meio isotrópico.

A fase de cristal líquido mais simples é a nemática. Em uma fase nemática, as moléculas orgânicas calamíticas carecem de uma ordem posicional cristalina, mas se auto-alinham com seus longos eixos aproximadamente paralelos. As moléculas são livres para fluir e suas posições de centro de massa são distribuídas aleatoriamente como em um líquido, mas sua orientação é restrita para formar uma ordem direcional de longo alcance.

A palavra nematic vem do grego νήμα (grego: nema), que significa "fio". Este termo se origina das disclinações: defeitos topológicos filamentosos observados em fases nemáticas.

Os Nematics também exibem os chamados "ouriços" defeitos topológicos. Em duas dimensões, existem defeitos topológicos com cargas topológicas $+ 1 / 2$ e $- 1 / 2$ . Devido à hidrodinâmica, o $+ 1 / 2$ move-se consideravelmente mais rápido do que a classe $- 1 / 2$ defeito. Quando colocados próximos uns dos outros, os defeitos se atraem; na colisão, eles se aniquilam.

A maioria das fases nemáticas são uniaxiais: elas têm um eixo (chamado diretriz) que é mais longo e preferido, com os outros dois sendo equivalentes (podem ser aproximados como cilindros ou hastes). No entanto, alguns cristais líquidos são nemáticos biaxiais, o que significa que, além de orientar seu longo eixo, eles também orientam ao longo de um eixo secundário. Os cristais nemáticos têm fluidez semelhante à dos líquidos comuns (isotrópicos), mas podem ser facilmente alinhados por um campo magnético ou elétrico externo. Os nemáticos alinhados têm as propriedades ópticas dos cristais uniaxiais e isso os torna extremamente úteis em monitores de cristal líquido (LCD).

As fases nemáticas também são conhecidas em sistemas não moleculares: em campos magnéticos altos, os elétrons fluem em feixes ou faixas para criar um "nemático eletrônico" forma de matéria.

Fases esméticas

Esquema de alinhamento nas fases sméticas. A fase smética A (esquerda) tem moléculas organizadas em camadas. Na fase C smética (direita), as moléculas são inclinadas dentro das camadas

As fases esméticas, que se encontram em temperaturas mais baixas que as nemáticas, formam camadas bem definidas que podem deslizar umas sobre as outras de maneira semelhante ao sabão. A palavra "smectic" origina-se da palavra latina "smecticus", que significa limpeza ou propriedades semelhantes a sabão. Os esméticos são, portanto, ordenados posicionalmente ao longo de uma direção. Na fase Esmética A, as moléculas são orientadas ao longo da camada normal, enquanto na fase Esmética C elas são inclinadas para longe dela. Essas fases são semelhantes a líquidos dentro das camadas. Existem muitas fases esméticas diferentes, todas caracterizadas por diferentes tipos e graus de ordem posicional e orientacional. Além das moléculas orgânicas, também foi relatado que a ordenação Smectic ocorre dentro de suspensões coloidais de materiais 2-D ou nanofolhas. Um exemplo de LCs esméticas é p,p'-dinonilazobenzeno.

Fases quirais ou nemáticas torcidas

Esquema de ordenação em fases de cristal líquido quiral. A fase nemática quiral (esquerda), também chamada de fase colesterica, e a fase C* smética (direita).

A fase nemática quiral exibe quiralidade (lateralidade). Essa fase é freqüentemente chamada de fase colestérica porque foi observada pela primeira vez para derivados do colesterol. Apenas moléculas quirais podem dar origem a essa fase. Esta fase exibe uma torção das moléculas perpendiculares ao diretor, com o eixo molecular paralelo ao diretor. O ângulo de torção finito entre moléculas adjacentes é devido ao seu empacotamento assimétrico, o que resulta em ordem quiral de maior alcance. Na fase esmética C* (um asterisco denota uma fase quiral), as moléculas têm ordenação posicional em uma estrutura em camadas (como nas outras fases esméticas), com as moléculas inclinadas por um ângulo finito em relação à camada normal. A quiralidade induz uma torção azimutal finita de uma camada para a próxima, produzindo uma torção espiral do eixo molecular ao longo da camada normal, por isso também são chamadas de nemáticas torcidas.

Fase nemática quiral; p refere-se ao pitch chiral (ver texto)

O passo quiral, p, refere-se à distância sobre a qual as moléculas LC passam por uma torção completa de 360° (mas observe que a estrutura da fase nemática quiral se repete a cada meio passo, pois nesta fase os diretores a 0° e ±180° são equivalentes). O passo, p, normalmente muda quando a temperatura é alterada ou quando outras moléculas são adicionadas ao hospedeiro LC (um material hospedeiro LC aquiral formará uma fase quiral se dopado com um material quiral), permitindo que o passo de um determinado material seja sintonizado de acordo. Em alguns sistemas de cristal líquido, o passo é da mesma ordem que o comprimento de onda da luz visível. Isso faz com que esses sistemas exibam propriedades ópticas exclusivas, como reflexão de Bragg e emissão de laser de baixo limiar, e essas propriedades são exploradas em várias aplicações ópticas. Para o caso da reflexão de Bragg, apenas a reflexão de ordem mais baixa é permitida se a luz incide ao longo do eixo helicoidal, enquanto que, para incidência oblíqua, são permitidas reflexões de ordem superior. Os cristais líquidos colestéricos também exibem a propriedade única de refletir a luz polarizada circularmente quando incidente ao longo do eixo helicoidal e polarizada elipticamente se vier obliquamente.

Uma célula planar, cheia de hospedeiro LC achiral dopado com uma base Tröger opticamente ativa analógica, colocada entre um par de polarizadores lineares paralelos (A) e cruzados (B). Esta fase mesogênica dopada forma superestruturas helicoidais auto-organizadas, que permitem comprimentos de onda específicos da luz passar através dos polarizadores cruzados, e reflete seletivamente um comprimento de onda particular da luz.

Fases azuis

As fases azuis são fases de cristal líquido que aparecem na faixa de temperatura entre uma fase nemática quiral e uma fase líquida isotrópica. As fases azuis têm uma estrutura cúbica tridimensional regular de defeitos com períodos de rede de várias centenas de nanômetros e, portanto, exibem reflexões de Bragg seletivas na faixa de comprimento de onda da luz visível correspondente à rede cúbica. Foi teoricamente previsto em 1981 que essas fases podem possuir simetria icosaédrica semelhante a quasicristais.

Embora as fases azuis sejam de interesse para moduladores de luz rápidos ou cristais fotônicos sintonizáveis, elas existem em uma faixa de temperatura muito estreita, geralmente inferior a alguns kelvins. Recentemente, foi demonstrada a estabilização das fases azuis em uma faixa de temperatura de mais de 60 K, incluindo a temperatura ambiente (260–326 K). As fases azuis estabilizadas à temperatura ambiente permitem comutação eletro-óptica com tempos de resposta da ordem de 10⁻⁴ s. Em maio de 2008, o primeiro painel LCD no modo de fase azul foi desenvolvido.

Cristais de fase azul, sendo uma estrutura cúbica periódica com um bandgap na faixa de comprimento de onda visível, podem ser considerados como cristais fotônicos 3D. A produção de cristais de fase azul ideais em grandes volumes ainda é problemática, uma vez que os cristais produzidos são geralmente policristalinos (estrutura plaquetária) ou o tamanho do cristal único é limitado (na faixa do micrômetro). Recentemente, fases azuis obtidas como cristais fotônicos 3D ideais em grandes volumes foram estabilizadas e produzidas com diferentes orientações de rede cristalina controladas.

Fases discóticas

Moléculas LC em forma de disco podem se orientar em uma forma de camada conhecida como fase nemática discótica. Se os discos se amontoarem, a fase é chamada colunar discótica. As próprias colunas podem ser organizadas em arranjos retangulares ou hexagonais. Fases discóticas quirais, semelhantes à fase nemática quiral, também são conhecidas.

Fases cônicas

Moléculas LC cônicas, como nas discóticas, podem formar fases colunares. Outras fases, como as fases nemática apolar, nemática polar, vagem, rosquinha e cebola, foram previstas. As fases cônicas, exceto as nemáticas apolares, são fases polares.

Cristais líquidos liotrópicos

Estrutura de cristal líquido liotrópico. As cabeças vermelhas de moléculas surfactantes estão em contato com a água, enquanto as caudas estão imersas em óleo (azul): bicamada (esquerda) e micelle (direita).

Um cristal líquido liotrópico consiste em dois ou mais componentes que exibem propriedades de cristal líquido em certas faixas de concentração. Nas fases liotrópicas, as moléculas de solvente preenchem o espaço ao redor dos compostos para fornecer fluidez ao sistema. Em contraste com os cristais líquidos termotrópicos, esses liotrópicos têm outro grau de liberdade de concentração que lhes permite induzir uma variedade de fases diferentes.

Um composto que tem duas partes hidrofílicas e hidrofóbicas imiscíveis dentro da mesma molécula é chamado de molécula anfifílica. Muitas moléculas anfifílicas apresentam sequências de fase líquido-cristalina liotrópica, dependendo dos equilíbrios de volume entre a parte hidrofílica e a parte hidrofóbica. Essas estruturas são formadas através da segregação de microfase de dois componentes incompatíveis em escala nanométrica. O sabão é um exemplo cotidiano de um cristal líquido liotrópico.

O conteúdo de água ou outras moléculas de solvente altera as estruturas automontadas. Em concentrações muito baixas de anfifílicos, as moléculas serão dispersas aleatoriamente sem qualquer ordenação. Em concentrações ligeiramente mais altas (mas ainda baixas), as moléculas anfifílicas se agrupam espontaneamente em micelas ou vesículas. Isso é feito para 'ocultar' a cauda hidrofóbica do anfifílico dentro do núcleo da micela, expondo uma superfície hidrofílica (solúvel em água) à solução aquosa. Esses objetos esféricos não se ordenam em solução, no entanto. Em concentração mais alta, os conjuntos ficarão ordenados. Uma fase típica é uma fase colunar hexagonal, onde os anfifílicos formam longos cilindros (novamente com uma superfície hidrofílica) que se organizam em uma rede aproximadamente hexagonal. Isso é chamado de fase intermediária de sabão. Em concentrações ainda mais altas, uma fase lamelar (fase de sabão puro) pode se formar, em que folhas estendidas de anfifílicos são separadas por finas camadas de água. Para alguns sistemas, uma fase cúbica (também chamada isotrópica viscosa) pode existir entre as fases hexagonal e lamelar, em que são formadas esferas que criam uma rede cúbica densa. Essas esferas também podem estar conectadas umas às outras, formando uma fase cúbica bicontínua.

Os objetos criados por anfifílicos são geralmente esféricos (como no caso das micelas), mas também podem ser semelhantes a discos (bicelos), semelhantes a bastonetes ou biaxiais (todos os três eixos micelares são distintos). Essas nanoestruturas automontadas anisotrópicas podem se ordenar da mesma maneira que os cristais líquidos termotrópicos, formando versões em larga escala de todas as fases termotrópicas (como uma fase nemática de micelas em forma de bastonete).

Para alguns sistemas, em altas concentrações, fases inversas são observadas. Ou seja, pode-se gerar uma fase colunar hexagonal inversa (colunas de água encapsuladas por anfifílicos) ou uma fase micelar inversa (uma amostra de cristal líquido volumoso com cavidades esféricas de água).

Uma progressão genérica de fases, indo de baixa para alta concentração de anfifílicos, é:

Fase cúbica descontínua (fase cúbica de computador)
Fase hexagonal (fase colunar hexagonal) (fase média)
Fase lamelar
Fase cúbica bicontínua
Fase colunar hexagonal reversa
Fase cúbica inversa (fase micelar inversa)

Mesmo dentro das mesmas fases, suas estruturas automontadas são ajustáveis pela concentração: por exemplo, em fases lamelares, as distâncias das camadas aumentam com o volume do solvente. Como os cristais líquidos liotrópicos dependem de um equilíbrio sutil de interações intermoleculares, é mais difícil analisar suas estruturas e propriedades do que as dos cristais líquidos termotrópicos.

Fases e características semelhantes podem ser observadas em copolímeros dibloco imiscíveis.

Cristais líquidos metalotrópicos

As fases de cristal líquido também podem ser baseadas em fases inorgânicas de baixo ponto de fusão, como ZnCl2, que possuem uma estrutura formada por tetraedros ligados e formam facilmente vidros. A adição de moléculas semelhantes a sabão de cadeia longa leva a uma série de novas fases que apresentam uma variedade de comportamento líquido cristalino, tanto em função da proporção de composição inorgânica-orgânica quanto da temperatura. Esta classe de materiais foi denominada metalotrópica.

Análise laboratorial de mesofases

Mesofases termotrópicas são detectadas e caracterizadas por dois métodos principais, o método original era o uso de microscopia ótica térmica, na qual uma pequena amostra do material era colocada entre dois polarizadores cruzados; a amostra foi então aquecida e arrefecida. Como a fase isotrópica não afetaria significativamente a polarização da luz, ela pareceria muito escura, enquanto as fases de cristal e cristal líquido polarizariam a luz de maneira uniforme, levando a gradientes de brilho e cor. Este método permite a caracterização da fase particular, pois as diferentes fases são definidas pela sua ordem particular, que deve ser observada. O segundo método, calorimetria exploratória diferencial (DSC), permite uma determinação mais precisa das transições de fase e entalpias de transição. No DSC, uma pequena amostra é aquecida de forma a gerar uma mudança muito precisa de temperatura em relação ao tempo. Durante as transições de fase, o fluxo de calor necessário para manter essa taxa de aquecimento ou resfriamento mudará. Essas mudanças podem ser observadas e atribuídas a várias transições de fase, como as principais transições de cristal líquido.

As mesofases liotrópicas são analisadas de maneira semelhante, embora esses experimentos sejam um pouco mais complexos, pois a concentração de mesógeno é um fator chave. Esses experimentos são executados em várias concentrações de mesógeno para analisar esse impacto.

Cristais líquidos biológicos

As fases líquido-cristalinas liotrópicas são abundantes em sistemas vivos, cujo estudo é conhecido como polimorfismo lipídico. Consequentemente, os cristais líquidos liotrópicos atraem atenção particular no campo da química biomimética. Em particular, membranas biológicas e membranas celulares são uma forma de cristal líquido. Suas moléculas constituintes (por exemplo, fosfolipídios) são perpendiculares à superfície da membrana, mas a membrana é flexível. Esses lipídios variam em forma (consulte a página sobre polimorfismo lipídico). As moléculas constituintes podem se misturar facilmente, mas tendem a não sair da membrana devido ao alto consumo de energia desse processo. Moléculas lipídicas podem virar de um lado da membrana para o outro, sendo esse processo catalisado por flippases e floppases (dependendo da direção do movimento). Essas fases da membrana de cristal líquido também podem hospedar proteínas importantes, como receptores livremente "flutuantes" dentro, ou parcialmente fora, da membrana, e. CTP: fosfocolina citidililtransferase (CCT).

Muitas outras estruturas biológicas exibem comportamento de cristal líquido. Por exemplo, a solução concentrada de proteína extrudada por uma aranha para gerar seda é, na verdade, uma fase de cristal líquido. A ordem precisa das moléculas na seda é crítica para sua força renomada. O DNA e muitos polipeptídeos, incluindo filamentos do citoesqueleto acionados ativamente, também podem formar fases de cristal líquido. Monocamadas de células alongadas também foram descritas como exibindo comportamento de cristal líquido, e os defeitos topológicos associados foram associados a consequências biológicas, incluindo morte celular e extrusão. Juntas, essas aplicações biológicas de cristais líquidos formam uma parte importante da pesquisa acadêmica atual.

Cristais líquidos minerais

Exemplos de cristais líquidos também podem ser encontrados no mundo mineral, sendo a maioria deles liotrópicos. O primeiro descoberto foi o óxido de vanádio(V), por Zocher em 1925. Desde então, poucos outros foram descobertos e estudados em detalhes. A existência de uma verdadeira fase nemática no caso da família das argilas esmectíticas foi levantada por Langmuir em 1938, mas permaneceu uma questão em aberto por muito tempo e só foi confirmada recentemente.

Com o rápido desenvolvimento das nanociências e a síntese de muitas novas nanopartículas anisotrópicas, o número desses cristais líquidos minerais está aumentando rapidamente, com, por exemplo, nanotubos de carbono e grafeno. Uma fase lamelar foi descoberta, H₃Sb₃P₂O₁₄, que exibe hiperinchaço até ~ 250 nm para a distância interlamelar.

Formação de padrões em cristais líquidos

A anisotropia de cristais líquidos é uma propriedade não observada em outros fluidos. Essa anisotropia faz com que os fluxos de cristais líquidos se comportem de maneira mais diferenciada do que os de fluidos comuns. Por exemplo, a injeção de um fluxo de um cristal líquido entre duas placas paralelas próximas (dedilhado viscoso) faz com que a orientação das moléculas se acople ao fluxo, com o surgimento resultante de padrões dendríticos. Essa anisotropia também se manifesta na energia interfacial (tensão superficial) entre diferentes fases de cristal líquido. Essa anisotropia determina a forma de equilíbrio na temperatura de coexistência e é tão forte que geralmente aparecem facetas. Quando a temperatura é alterada, uma das fases cresce, formando diferentes morfologias dependendo da mudança de temperatura. Como o crescimento é controlado pela difusão de calor, a anisotropia na condutividade térmica favorece o crescimento em direções específicas, o que também afeta a forma final.

Tratamento teórico de cristais líquidos

O tratamento teórico microscópico de fases fluidas pode se tornar bastante complicado, devido à alta densidade do material, o que significa que interações fortes, repulsões de núcleo rígido e correlações de muitos corpos não podem ser ignoradas. No caso de cristais líquidos, a anisotropia em todas essas interações complica ainda mais a análise. Há uma série de teorias bastante simples, no entanto, que podem pelo menos prever o comportamento geral das transições de fase em sistemas de cristal líquido.

Diretor

Como já vimos acima, os cristais líquidos nemáticos são compostos de moléculas semelhantes a bastões com os longos eixos das moléculas vizinhas alinhados aproximadamente entre si. Para descrever esta estrutura anisotrópica, um vetor unitário adimensional n chamado diretor, é introduzido para representar a direção da orientação preferencial das moléculas na vizinhança de qualquer ponto. Como não há polaridade física ao longo do eixo diretor, n e -n são totalmente equivalentes.

Parâmetro de pedido

O diretor nemático local, que é também eixo óptico local, é dada pela média espacial e temporal dos longos eixos moleculares

A descrição de cristais líquidos envolve uma análise da ordem. Um segundo parâmetro de ordem tensor simétrica de classificação $Q$ é usado para descrever a ordem de orientação do cristal líquido nemático biaxial mais geral. No entanto, para descrever o caso mais comum de cristais líquidos não axiais, um parâmetro de ordem escalar é suficiente. Para fazer isso quantitativo, um parâmetro de ordem direcional é geralmente definido com base na média do segundo polinômio Legendre:

{displaystyle S=langle P_{2}(cos theta)rangle =leftlangle {frac {3cos ^{2}(theta)-1}{2}}rightrangle }

Onde? $theta$ é o ângulo entre o eixo molecular líquido-cristal e o diretor local (que é a "direção preferida" em um elemento de volume de uma amostra de cristal líquido, também representando sua eixo óptico local). Os suportes denotam uma média temporal e espacial. Esta definição é conveniente, uma vez que para uma amostra completamente aleatória e isotrópica, S= 0, enquanto para uma amostra perfeitamente alinhada S=1. Para uma amostra típica de cristal líquido, S está na ordem de 0,3 a 0,8, e geralmente diminui à medida que a temperatura é aumentada. Em particular, uma queda acentuada do parâmetro de ordem a 0 é observada quando o sistema passa por uma transição de fase de uma fase LC para a fase isotrópica. O parâmetro de ordem pode ser medido experimentalmente de várias maneiras; por exemplo, diamagnetismo, birefringência, dispersão de Raman, RMN e EPR pode ser usado para determinar S.

A ordem de um cristal líquido também pode ser caracterizada pelo uso de outros polinômios pares de Legendre (todos os polinômios ímpares têm média zero, pois o diretor pode apontar em qualquer uma das duas direções antiparalelas). Essas médias de ordem superior são mais difíceis de medir, mas podem fornecer informações adicionais sobre o ordenamento molecular.

Um parâmetro de ordem posicional também é usado para descrever o ordenamento de um cristal líquido. Caracteriza-se pela variação da densidade do centro de massa das moléculas de cristal líquido ao longo de um determinado vetor. No caso de variação posicional ao longo da zangão.- eixo é a densidade $rho (z)$ é frequentemente dado por:

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

O parâmetro de ordem posicional complexo é definido como ${displaystyle psi (mathbf {r})=rho _{1}(mathbf {r})e^{ivarphi (mathbf {r})}}$ e $rho _{0}$ a densidade média. Normalmente apenas os dois primeiros termos são mantidos e os termos de ordem mais elevados são ignorados, uma vez que a maioria das fases pode ser descrita adequadamente usando funções sinusoidal. Para um perfeito inimigo ${displaystyle psi =0}$ e para uma fase smética $psi$ assumirá valores complexos. A natureza complexa deste parâmetro de ordem permite muitos paralelos entre transições de fase nematic a smectic e condutor para transições de supercondutor.

Modelo de haste rígida Onsager

Problema não resolvido na física:

A transição de fase nemática para smética (A) em estados de cristal líquido pode ser caracterizada como uma transição de fase universal?

(problemas mais não resolvidos na física)

Um modelo simples que prevê transições de fase liotrópica é o modelo hard-rod proposto por Lars Onsager. Essa teoria considera o volume excluído do centro de massa de um cilindro idealizado conforme ele se aproxima de outro. Especificamente, se os cilindros estiverem orientados paralelamente um ao outro, haverá muito pouco volume excluído do centro de massa do cilindro que se aproxima (ele pode chegar bem próximo do outro cilindro). Se, no entanto, os cilindros estiverem em algum ângulo um do outro, haverá um grande volume ao redor do cilindro no qual o centro de massa do cilindro que se aproxima não pode entrar (devido à repulsão da barra dura entre os dois cilindros idealizados). objetos). Assim, esse arranjo angular vê uma diminuição na entropia posicional líquida do cilindro que se aproxima (há menos estados disponíveis para ele).

O insight fundamental aqui é que, enquanto arranjos paralelos de objetos anisotrópicos levam a uma diminuição na entropia orientacional, há um aumento na entropia posicional. Assim, em alguns casos, uma ordem posicional maior será entropicamente favorável. Essa teoria prevê, portanto, que uma solução de objetos em forma de bastonete passará por uma transição de fase, em concentração suficiente, para uma fase nemática. Embora esse modelo seja conceitualmente útil, sua formulação matemática faz várias suposições que limitam sua aplicabilidade a sistemas reais.

Teoria de campo médio de Maier-Saupe

Esta teoria estatística, proposta por Alfred Saupe e Wilhelm Maier, inclui contribuições de um potencial intermolecular atraente de um momento de dipolo induzido entre moléculas de cristal líquido semelhantes a bastonetes adjacentes. A atração anisotrópica estabiliza o alinhamento paralelo de moléculas vizinhas, e a teoria então considera uma média de campo médio da interação. Resolvida de forma autoconsistente, esta teoria prevê transições de fase termotrópica nemática-isotrópica, consistente com a experiência. A teoria de campo médio de Maier-Saupe é estendida a cristais líquidos de alto peso molecular, incorporando a rigidez de flexão das moléculas e usando o método de integrais de caminho na ciência de polímeros.

Modelo de McMillan

O modelo de McMillan, proposto por William McMillan, é uma extensão da teoria de campo médio de Maier-Saupe usada para descrever a transição de fase de um cristal líquido de uma fase A nemática para uma esmética. Ele prevê que a transição de fase pode ser contínua ou descontínua, dependendo da força da interação de curto alcance entre as moléculas. Como resultado, permite um ponto crítico triplo onde a fase A nemática, isotrópica e esmética se encontram. Embora preveja a existência de um ponto crítico triplo, não prevê com sucesso o seu valor. O modelo utiliza dois parâmetros de ordem que descrevem a ordem de orientação e posição do cristal líquido. O primeiro é simplesmente a média do segundo polinômio de Legendre e o parâmetro de segunda ordem é dado por:

{displaystyle sigma =leftlangle cos left({frac {2pi z_{i}}{d}}right)left({frac {3}{2}}cos ^{2}left(theta _{i}right)-{frac {1}{2}}right)rightrangle }

Os valores z_i, θ_i e d são a posição da molécula, o ângulo entre o eixo molecular e o diretor, e o espaçamento da camada. A energia potencial postulada de uma única molécula é dada por:

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

Aqui constante α quantifica a força da interação entre moléculas adjacentes. O potencial é então usado para derivar as propriedades termodinâmicas do sistema assumindo o equilíbrio térmico. Resulta em duas equações de autoconsistência que devem ser resolvidas numericamente, cujas soluções são as três fases estáveis do cristal líquido.

Teoria do contínuo elástico

Neste formalismo, um material de cristal líquido é tratado como um continuum; detalhes moleculares são totalmente ignorados. Em vez disso, esta teoria considera perturbações para uma amostra orientada presumida. As distorções do cristal líquido são comumente descritas pela densidade de energia livre de Frank. Pode-se identificar três tipos de distorções que podem ocorrer em uma amostra orientada: (1) torções do material, onde moléculas vizinhas são forçadas a formar ângulos umas com as outras, em vez de alinhadas; (2) espalhamento do material, onde a dobra ocorre perpendicularmente ao diretor; e (3) curvatura do material, onde a distorção é paralela ao diretor e ao eixo molecular. Todos esses três tipos de distorções incorrem em uma penalidade de energia. São distorções induzidas pelas condições de contorno nas paredes de domínio ou no recipiente envolvente. A resposta do material pode então ser decomposta em termos baseados nas constantes elásticas correspondentes aos três tipos de distorções. A teoria do contínuo elástico é uma ferramenta eficaz para modelar dispositivos de cristal líquido e bicamadas lipídicas.

Influências externas em cristais líquidos

Cientistas e engenheiros são capazes de usar cristais líquidos em uma variedade de aplicações porque perturbações externas podem causar mudanças significativas nas propriedades macroscópicas do sistema de cristal líquido. Campos elétricos e magnéticos podem ser usados para induzir essas mudanças. A magnitude dos campos, bem como a velocidade com que as moléculas se alinham são características importantes com as quais a indústria lida. Tratamentos de superfície especiais podem ser usados em dispositivos de cristal líquido para forçar orientações específicas do direcionador.

Efeitos de campos elétricos e magnéticos

A capacidade do diretor de se alinhar ao longo de um campo externo é causada pela natureza elétrica das moléculas. Os dipolos elétricos permanentes resultam quando uma extremidade de uma molécula tem uma carga líquida positiva enquanto a outra extremidade tem uma carga líquida negativa. Quando um campo elétrico externo é aplicado ao cristal líquido, as moléculas do dipolo tendem a se orientar ao longo da direção do campo.

Mesmo que uma molécula não forme um dipolo permanente, ela ainda pode ser influenciada por um campo elétrico. Em alguns casos, o campo produz um leve rearranjo de elétrons e prótons nas moléculas, resultando em um dipolo elétrico induzido. Embora não seja tão forte quanto os dipolos permanentes, a orientação com o campo externo ainda ocorre.

A resposta de qualquer sistema a um campo elétrico externo é

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

Onde? $E_{i}$ , $D_{i}$ e $P_{i}$ são os componentes do campo elétrico, campo de deslocamento elétrico e densidade de polarização. A energia elétrica por volume armazenado no sistema é

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

(sumação sobre o índice duplamente apresentado $i$ ). Em cristais líquidos nemáticos, a polarização e o deslocamento elétrico dependem linearmente da direção do campo elétrico. A polarização deve estar mesmo no diretor desde que os cristais líquidos são invariantes sob reflexões de $n$ . A forma mais geral de expressar $D$ o

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

(sução sobre o índice $j$ ) com ${displaystyle epsilon _{bot }}$ e ${displaystyle epsilon _{parallel }}$ a autorização elétrica paralela e perpendicular ao diretor $n$ . Então a densidade de energia é (ignorando os termos constantes que não contribuem para a dinâmica do sistema)

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

(sumindo) $i$ ). Se ${displaystyle epsilon _{parallel }-epsilon _{bot }}$ é positivo, então o mínimo da energia é alcançado quando $E$ e $n$ são paralelos. Isso significa que o sistema irá favorecer o alinhamento do cristal líquido com o campo elétrico aplicado externamente. Se ${displaystyle epsilon _{parallel }-epsilon _{bot }}$ é negativo, então o mínimo da energia é alcançado quando $E$ e $n$ são perpendiculares (em nematics a orientação perpendicular é degenerada, tornando possível a emergência de vórtices).

A diferença ${displaystyle Delta epsilon =epsilon _{parallel }-epsilon _{bot }}$ é chamado anisotropia dielétrica e é um parâmetro importante em aplicações de cristal líquido. Há ambos $0}" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">? ? ε ε >0Não. Delta epsilon >0} 0}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a699942f96ac4737531138f227b7b4bd6198461c" style="vertical-align: -0.338ex; width:7.141ex; height:2.176ex;"/>$ e $<math alttext="{displaystyle Delta epsilon ? ? ε ε <0Não. Delta epsilon <0 <img alt="{displaystyle Delta epsilon$ cristais líquidos comerciais. 5CB e E7 mistura de cristal líquido são dois $0}" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">? ? ε ε >0Não. Delta epsilon >0} 0}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a699942f96ac4737531138f227b7b4bd6198461c" style="vertical-align: -0.338ex; width:7.141ex; height:2.176ex;"/>$ cristais líquidos comumente usados. MBBA é comum $<math alttext="{displaystyle Delta epsilon ? ? ε ε <0Não. Delta epsilon <0 <img alt="{displaystyle Delta epsilon$ cristal líquido.

Os efeitos dos campos magnéticos nas moléculas de cristal líquido são análogos aos campos elétricos. Como os campos magnéticos são gerados por cargas elétricas em movimento, os dipolos magnéticos permanentes são produzidos por elétrons que se movem em torno de átomos. Quando um campo magnético é aplicado, as moléculas tendem a se alinhar com ou contra o campo. Radiação electromagnética, por ex. A luz ultravioleta visível pode influenciar cristais líquidos responsivos à luz que carregam principalmente pelo menos uma unidade fotocomutável.

Preparações de superfície

Na ausência de um campo externo, o diretor de um cristal líquido é livre para apontar em qualquer direção. É possível, no entanto, forçar o diretor a apontar em uma direção específica introduzindo um agente externo ao sistema. Por exemplo, quando um revestimento fino de polímero (geralmente uma poliimida) é espalhado sobre um substrato de vidro e friccionado em uma única direção com um pano, observa-se que as moléculas de cristal líquido em contato com essa superfície se alinham com a direção do atrito. Acredita-se que o mecanismo atualmente aceito para isso seja um crescimento epitaxial das camadas de cristal líquido nas cadeias poliméricas parcialmente alinhadas nas camadas superficiais próximas da poliimida.

Vários produtos químicos de cristal líquido também se alinham a uma 'superfície de comando' que por sua vez é alinhado pelo campo elétrico da luz polarizada. Esse processo é chamado de fotoalinhamento.

Transição de Frederick

A competição entre a orientação produzida pela ancoragem de superfície e pelos efeitos do campo elétrico é frequentemente explorada em dispositivos de cristal líquido. Considere o caso em que as moléculas de cristal líquido são alinhadas paralelamente à superfície e um campo elétrico é aplicado perpendicularmente à célula. A princípio, à medida que o campo elétrico aumenta em magnitude, não ocorre nenhuma mudança no alinhamento. No entanto, em uma magnitude limiar de campo elétrico, ocorre deformação. A deformação ocorre quando o diretor muda sua orientação de uma molécula para outra. A ocorrência de tal mudança de um estado alinhado para um deformado é chamada de transição de Fredericks e também pode ser produzida pela aplicação de um campo magnético de força suficiente.

A transição de Fredericks é fundamental para a operação de muitos monitores de cristal líquido porque a orientação do diretor (e, portanto, as propriedades) pode ser controlada facilmente pela aplicação de um campo.

Efeito da quiralidade

Como já descrito, moléculas de cristal líquido quirais geralmente dão origem a mesofases quirais. Isso significa que a molécula deve possuir alguma forma de assimetria, geralmente um centro estereogênico. Um requisito adicional é que o sistema não seja racêmico: uma mistura de moléculas destras e canhotas cancelará o efeito quiral. Devido à natureza cooperativa da ordenação do cristal líquido, no entanto, uma pequena quantidade de dopante quiral em uma mesofase aquiral geralmente é suficiente para selecionar uma lateralidade de domínio, tornando o sistema totalmente quiral.

As fases quirais geralmente têm uma torção helicoidal das moléculas. Se o passo dessa torção estiver na ordem do comprimento de onda da luz visível, então efeitos interessantes de interferência óptica podem ser observados. A torção quiral que ocorre nas fases LC quirais também faz com que o sistema responda de maneira diferente da luz polarizada circularmente à direita e à esquerda. Estes materiais podem assim ser usados como filtros de polarização.

É possível que as moléculas LC quirais produzam mesofases essencialmente aquirais. Por exemplo, em certas faixas de concentração e peso molecular, o DNA formará uma linha hexática aquiral. Uma observação recente interessante é a formação de mesofases quirais a partir de moléculas LC aquirais. Especificamente, moléculas de núcleo dobrado (às vezes chamadas de cristais líquidos de banana) demonstraram formar fases de cristal líquido que são quirais. Em qualquer amostra particular, vários domínios terão lateralidade oposta, mas dentro de qualquer domínio, uma forte ordenação quiral estará presente. O mecanismo de aparecimento desta quiralidade macroscópica ainda não está totalmente claro. Parece que as moléculas se empilham em camadas e se orientam de forma inclinada dentro das camadas. Essas fases de cristais líquidos podem ser ferroelétricas ou antiferroelétricas, ambas de interesse para aplicações.

A quiralidade também pode ser incorporada em uma fase adicionando um dopante quiral, que pode não formar LCs. As misturas nemáticas torcidas ou supertorcidas geralmente contêm uma pequena quantidade desses dopantes.

Aplicações de cristais líquidos

Estrutura de exibição de cristal líquido: 1 – filtro de polarização vertical, 2, 4 – vidro com eletrodos, 3 – cristais líquidos, 5 – filtro de polarização horizontal, 6 – refletor

"Wikipedia" exibido em um LCD

Cristais líquidos são amplamente utilizados em telas de cristal líquido, que dependem das propriedades ópticas de certas substâncias cristalinas líquidas na presença ou ausência de um campo elétrico. Em um dispositivo típico, uma camada de cristal líquido (normalmente com 4 μm de espessura) fica entre dois polarizadores cruzados (orientados a 90° um do outro). O alinhamento do cristal líquido é escolhido de forma que sua fase relaxada seja torcida (ver Efeito de campo nemático torcido). Esta fase torcida reorienta a luz que passou pelo primeiro polarizador, permitindo sua transmissão através do segundo polarizador (e refletida de volta ao observador se um refletor for fornecido). O dispositivo, portanto, parece transparente. Quando um campo elétrico é aplicado à camada LC, os longos eixos moleculares tendem a se alinhar paralelamente ao campo elétrico, destorcendo-se gradualmente no centro da camada de cristal líquido. Nesse estado, as moléculas LC não reorientam a luz, de modo que a luz polarizada no primeiro polarizador é absorvida no segundo polarizador e o dispositivo perde transparência com o aumento da voltagem. Desta forma, o campo elétrico pode ser usado para fazer um pixel alternar entre transparente ou opaco no comando. Os sistemas LCD coloridos usam a mesma técnica, com filtros de cores usados para gerar pixels vermelhos, verdes e azuis. Cristais líquidos esméticos quirais são usados em LCDs ferroelétricos, que são moduladores de luz binários de comutação rápida. Princípios semelhantes podem ser usados para fabricar outros dispositivos ópticos baseados em cristal líquido.

Filtros sintonizáveis de cristal líquido são usados como dispositivos eletro-ópticos, por exemplo, em imagens hiperespectrais.

Os LCs quirais termotrópicos cujo tom varia fortemente com a temperatura podem ser usados como termômetros de cristal líquido brutos, uma vez que a cor do material mudará conforme o tom for alterado. As transições de cores de cristal líquido são usadas em muitos termômetros de aquário e piscina, bem como em termômetros para bebês ou banhos. Outros materiais de cristal líquido mudam de cor quando esticados ou estressados. Assim, as folhas de cristal líquido são freqüentemente usadas na indústria para procurar pontos quentes, mapear o fluxo de calor, medir padrões de distribuição de tensão e assim por diante. Cristal líquido em forma de fluido é usado para detectar pontos quentes gerados eletricamente para análise de falhas na indústria de semicondutores.

As lentes de cristal líquido convergem ou divergem da luz incidente ajustando o índice de refração da camada de cristal líquido com a tensão ou temperatura aplicada. Geralmente, as lentes de cristal líquido geram uma distribuição de índice de refração parabólica ao organizar as orientações moleculares. Portanto, uma onda plana é remodelada em uma frente de onda parabólica por uma lente de cristal líquido. A distância focal das lentes de cristal líquido pode ser ajustada continuamente quando o campo elétrico externo pode ser ajustado adequadamente. As lentes de cristal líquido são um tipo de óptica adaptativa. O sistema de imagem pode ser beneficiado com correção de foco, ajuste de plano de imagem ou alteração da faixa de profundidade de campo ou profundidade de foco. A lente de cristal líquido é um dos candidatos a desenvolver dispositivos de correção da visão para olhos com miopia e presbiopia (por exemplo, óculos ajustáveis e lentes de contato inteligentes). Sendo um modulador óptico de fase, uma lente de cristal líquido apresenta comprimento de caminho óptico variável no espaço (ou seja, comprimento de caminho óptico em função de sua coordenada de pupila). Em diferentes sistemas de imagem, a função necessária do comprimento do caminho óptico varia de um para outro. Por exemplo, para convergir uma onda plana em um ponto limitado por difração, para uma estrutura de cristal líquido fisicamente planar, o índice de refração da camada de cristal líquido deve ser esférico ou paraboloidal sob aproximação paraxial. Quanto à projeção de imagens ou detecção de objetos, pode-se esperar que a lente de cristal líquido tenha uma distribuição asférica do comprimento do caminho óptico ao longo de sua abertura de interesse. As lentes de cristal líquido com índice de refração sintonizável eletricamente (através da abordagem da magnitude diferente do campo elétrico na camada de cristal líquido) têm potencial para atingir uma função arbitrária do comprimento do caminho óptico para modular a frente de onda de entrada; os atuais elementos ópticos de forma livre de cristal líquido foram estendidos a partir de lentes de cristal líquido com os mesmos mecanismos ópticos. As aplicações de lentes de cristais líquidos incluem picoprojetores, lentes graduadas (óculos ou lentes de contato), câmera de smartphone, realidade aumentada, realidade virtual etc.

Os lasers de cristal líquido usam um cristal líquido no meio do laser como um mecanismo de feedback distribuído em vez de espelhos externos. A emissão em um bandgap fotônico criado pela estrutura dielétrica periódica do cristal líquido fornece um dispositivo de alto rendimento de baixo limiar com emissão monocromática estável.

Folhas e rolos de cristal líquido disperso em polímero (PDLC) estão disponíveis como filme inteligente com verso adesivo que pode ser aplicado em janelas e alternado eletricamente entre transparente e opaco para fornecer privacidade.

Muitos fluidos comuns, como água com sabão, são na verdade cristais líquidos. O sabão forma uma variedade de fases LC, dependendo de sua concentração na água.

Os filmes de cristal líquido revolucionaram o mundo da tecnologia. Atualmente são utilizados nos mais diversos aparelhos, como relógios digitais, celulares, máquinas de calcular e televisores. Pode ser possível a utilização de filmes de cristal líquido em dispositivos de memória óptica, com processo semelhante à gravação e leitura de CDs e DVDs.

Cristais líquidos também são usados como tecnologia básica para imitar computadores quânticos, usando campos elétricos para manipular a orientação das moléculas de cristal líquido, armazenar dados e codificar um valor diferente para cada grau diferente de desalinhamento com outras moléculas.

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