Los cristales líquidos son materiales
que forman parte de muchos objetos de la vida cotidiana.
Los primeros estudios sobre estas sustancias datan de 1.888
cuando el botánico austriaco Friedrich Reinitzer
analizó el comportamiento del benzoato de colesterilo.
Y observó que a temperatura ambiente es un sólido blanco cristalino
y por encima de 179º centígrados, un líquido.
Sin embargo, entre 145º y 179º centígrados
esta sustancia fluye como los líquidos,
pero su aspecto varía dependiendo de la dirección de observación,
es decir es anisotrópica como los sólidos cristalinos.
Al calentar esta sustancia en ese intervalo de temperaturas
pasa del color rojo al azul, y al contrario al enfriar.
Si el enfriamiento tiene lugar a una cierta velocidad
se produce el cambio de fase de líquido isotrópico a sólido.
Pero si el enfriamiento es rápido,
este cambio de fase incluye la formación de mesofases anisotrópicas
entre la etapa del líquido y la del sólido blanco.
Un año más tarde, en 1.889,
Otto Lehmann propuso llamar a este tipo de sustancias
"cristales líquidos".
El termino "cristales líquidos" puede parecer contradictorio,
porque en las sustancias que habitualmente manejamos,
o son sólidos cristalinos o son líquidos.
Los estados de agregación de la materia más frecuentes
son los estados: sólido, líquido y gaseoso.
Los sólidos se caracterizan por tener una forma determinada,
mientras que los líquidos adoptan la forma de la vasija que los contiene
y se deforman muy fácilmente.
Estas propiedades macroscópicas son el reflejo de su microestructura.
Las partículas que constituyen un líquido están desordenadas
y se desplazan continuamente en un movimiento totalmente aleatorio.
En los líquidos no hay direcciones preferentes,
sus propiedades son las mismas en todas las direcciones de observación,
es decir son isotrópicos.
Por el contrario un sólido cristalino está formado por partículas
que ocupan posiciones fijas de una red tridimensional,
esta estructura ordenada se mantiene a grandes distancias,
cada dirección de observación incide sobre un tipo distinto de planos
con diferente densidad de partículas
y en consecuencia, las propiedades de los sólidos cristalinos
dependen de la dirección de observación,
las propiedades son anisotrópicas.
Hay algunas sustancias que no siguen la descripción anterior,
por ejemplo, algunos líquidos como el agua
mantienen una estructura tetraédrica de corto alcance
que no se mantiene a grandes distancias.
Existen también sólidos no cristalinos o amorfos,
que son líquidos que han sido enfriados
por debajo de su temperatura de cristalización tan rápidamente
que sus partículas han perdido la movilidad,
pero no han tenido tiempo suficiente para ordenarse.
Pero estos estados de la materia no son estados de equilibrio,
son estados metaestables que evolucionan más o menos rápidamente
hacía la formación de sólidos cristalinos.
Una sustancia cambia de estado de agregación al variar la temperatura.
Por ejemplo, si calentamos un sólido
al alcanzar la temperatura de fusión, se transforma en un líquido.
Desde el punto de vista microscópico, la fusión de un sólido
se traduce en una perdida de la correlación posicional
de las partículas que lo componen, que tiene lugar cuando
las vibraciones de red se hacen muy intensas.
Sin embargo, algunas sustancias
no pasan directamente del estado sólido al estado líquido,
si no que alcanzan estados de equilibrio intermedios
a los que llamaremos mesofases,
estas sustancias se conocen como cristales líquidos termotrópicos.
Las mesofases se caracterizan por tener colores vistosos, irisaciones
y por dar imágenes especiales con luz polarizada.
Desde el punto de vista microscópico,
en la transición del estado sólido a la mesofase
se pierde la correlación de posiciones,
pero se mantiene la correlación orientacional.
Esto nos da la pauta de cómo son los grupos mesogenicos,
es decir, los grupos de átomos que forman parte
de los cristales líquidos termotrópicos.
Son grupos alargados y con un gran momento dipolar,
para que así las interacciones moleculares sean más intensas.
Las partículas esféricas dan líquidos isotrópicos,
pero las alargadas pueden dar lugar a líquidos con fluidez,
pero con estructuras ordenadas de largo alcance.
Son estados de agregación de equilibrio
mitad sólidos y mitad líquidos,
cristales líquidos termotrópicos.
Los cristales líquidos termotrópicos muestras varios tipos de mesofases,
de las que las más frecuentes son las colestéricas, esmécticas y nemáticas.
Un cristal líquido puede presentar todas,
o solo algunas de estas mesofases.
Veamos cuáles son sus estructuras.
En un cristal líquido esméctico las moléculas forman capas
que pueden desplazarse unas respecto de otras sin interpenetrarse,
en cada capa las moléculas están en promedio alineadas
en una determinada dirección.
Supongamos ahora que las interacciones
entre las moléculas de la misma capa se debilitan,
y esto hace posible
el desplazamiento de las moléculas en sentido perpendicular al plano,
esto daría lugar a un cristal líquido nemático,
en el que las moléculas pueden desplazarse
en las tres direcciones del espacio, pero sin rotar,
manteniendo la alineación de sus ejes mayores.
Los cristales líquidos colestéricos
se caracterizan por una estructura helicoidal de los ejes de simetría
de las moléculas de planos contiguos.
Considerando la estructura de esta mesofase,
es fácil entender los efectos de coloración de estos materiales,
al variar la temperatura, varía el paso de hélice.
El paso de hélice es comparable
a la longitud de onda de las radiaciones visibles
comprendida entre 380 y 780 nanómetros.
Los efectos de difracción son de distinta intensidad
para cada ángulo de observación y cada longitud de onda o color.
Al variar la temperatura, varía el paso de hélice,
y en consecuencia el color.
Los cristales líquidos termotrópicos tienen muchas aplicaciones,
las pantallas de las calculadoras de bolsillo, relojes, ordenadores
y cualquier sistema de visualización
se construyen a menudo con cristales líquidos de tipo nemático.
En estos casos se aprovecha la orientación
de los momentos dipolares de estas moléculas,
bajo la acción de un campo eléctrico o magnético.
Esta reorientación molecular
da lugar a cambios en las propiedades ópticas del material.
Veamos como funcionan las pantallas llamadas
de cristal líquido nemático torcido,
basadas en la influencia de un campo eléctrico
sobre la transmisión de luz polarizada.
Cada elemento de imagen de estas pantallas está formado
por un sandwich con un espejo y dos láminas polarizadoras de luz
con planos de polarización perpendiculares,
contiguas al cristal líquido hay dos láminas transparentes
de un material conductor que actúan como electrodos
y están unidas a una pila de bajo potencial.
El cristal líquido está contenido entre dos láminas de vidrio
cuya superficie interna ha sido tratada.
El plano de polarización de la luz incidente
gira como los momentos dipolares de las moléculas
en la mesofase nemática,
y la luz, reflejada por el cristal, sigue el camino inverso.
Ese elemento de imagen no se ve resaltado, se confunde con el fondo.
Al aplicar un campo eléctrico las moléculas se orientan,
y la luz polarizada vertical
ya no es transmitida por el polarizador horizontal.
Ese elemento aparece entonces ennegrecido.
Hasta ahora hemos hablado de cristales líquidos termotrópicos,
calentando estas sustancias en estado sólido
se obtienen las distintas mesofases, y finalmente el líquido.
Existen también
otro tipo de cristales líquidos llamados liotrópicos,
porque pueden dar lugar a cambios de fase a temperatura constante,
con solo variar la composición del sistema.
Generalmente se trata de disoluciones acuosas
de distintas concentraciones de soluto.
A este grupo de sustancias pertenecen los jabones.
Estos, están constituidos por moléculas alargadas
con una cadena hidrofóbica de tipo alcano
y una cabeza constituida por un grupo hidrófilico.
Generalmente una sal disociada en el medio acuoso.
En disolución acuosa muy diluida
estas moléculas están dispersas en una disolución homogénea,
al sobrepasar una cierta concentración micelar crítica,
las moléculas de jabón se agregan
formando estructuras esféricas llamadas micelas.
El interior de la micela es muy estructurado, viscoso y no polar,
por lo tanto es un disolvente ideal de la grasa
y otros compuestos también hidrofóbicos.
Esta propiedad, junto con su carácter de agentes tensoactivos,
fundamenta el empleo de los jabones como detergentes,
o en la recuperación de petróleo en pozos semi-abandonados,
en mareas negras.
La superficie de la micela es una doble capa eléctrica,
es decir, los grupos iónicos se solvatan
por moléculas de agua y otros contra-iones,
estos se reparten en una capa difusa
que es responsable de la estabilidad de este tipo de estructuras,
porque cuando dos micelas se aproximan,
las repulsiones electrostáticas de las capas difusas
impiden su coalescencia.
En disoluciones muy concentradas de jabón, la estructura en micelas
puede evolucionar a estructuras más complejas:
cilindros, empaquetamiento cúbico de esferas y otras mesofases,
hasta llegar al sólido puro.
Las moléculas que dan lugar a la formación
de cristales líquidos liotrópicos, pueden ser también bicabeza o bicola,
estas moléculas suelen formar bicapas
cuya estructura es similar a la de las mesofases esmécticas.
Un ejemplo de este tipo de estructuras
se encuentra en las membranas celulares,
formadas por fosfolípidos con moléculas de colesterol
insertadas entre sus cadenas de alcano,
para dar rigidez a la mesofase.
Otros sistemas biológicos son también cristales líquidos.
Los cristales líquidos que al final del siglo XIX
parecían sustancias curiosas por sus cambios de coloración,
se han convertido en materiales de alta tecnología
o de uso cotidiano en nuestros días,
su desarrollo y nuevas aplicaciones no parecen tener fin,
viéndose potenciadas al combinar sus estructuras
con las de los otros materiales más representativos de nuestro tiempo:
Los polímeros.
Así, han nacido moléculas gigantes
con superestructura de cristal líquido,
que han dado lugar a fibras de extraordinarias propiedades,
que son objeto de una muy activa investigación en la década de los 90.
El resultado de estas investigaciones
nos dará información sobre la base de nuestra misma existencia
en la que se encuentra el ADN,
gran parte de nuestros conocimientos y posibilidades en el siglo XXI
se verán fundamentados en estos materiales:
Los polímeros cristal líquido.