CRISTAL LÍQUIDO

CRISTAL LÍQUIDO

1. INTRODUCCIÓN

Hasta el momento se mencionó que la materia puede presentarse en alguno de sus cinco estados de agregación e incluso se caracterizaron los tres más comunes. Sin embargo, existen sustancias que, bajo determinadas condiciones, poseen propiedades que no permiten encuadrarlas en dichos estados. Así surgen expresiones como fluido supercrítico o cristal líquido.

Recordemos las diferencias entre los cristales y los líquidos. En los cristales ordinarios, los átomos están ubicados en posiciones bien definidas y permanecen en esas condiciones por mucho tiempo, salvo algunos movimientos vibracionales y rotacionales, sin efectos de traslación. En los cristales, tanto las orientaciones como las posiciones de las partículas permanecen fijas, y en ciertas condiciones pueden presentar algún tipo de anisotropía, poseen una temperatura definida de punto de fusión que los diferencia de los sólidos amorfos.

En un líquido, las partículas que lo componen están completamente desordenadas y no presentan ninguna clase de anisotropía.

Un cristal líquido se define como una estructura en la cual se encuentran estados de organización con simetría menor que un cristal y mayor que un líquido. Además comparte algunas características que son propias de los cristales y otras que son propias de los líquidos, es por ello que se convino en denominarlo cristal líquido.

2. HISTORIA DE LOS CRISTALES LÍQUIDOS

La historia de los cristales líquidos se remonta a 1888, cuando el botánico austríaco Otto Reinitzer trabajaba con derivados del colesterol para determinar sus propiedades químicas y biológicas.

Reinitzer se sorprendió al encontrar un componente que parecía tener dos puntos de fusión constantes, en lugar de tener un único punto de fusión que determine el paso del estado sólido al líquido. Primero, los cristales se fundían dando lugar a un fluido denso y opaco, y luego éste, a temperaturas superiores, se convertía en un líquido transparente parecido al agua.

Entonces, sólo se conocían tres estados de la materia: sólido, líquido y gas. El fluido denso mostraba una estructura interna característica de los cristales. Se supuso que se estaba frente al descubrimiento de un nuevo estado de la materia.

Estimulados por esto, los científicos comenzaron la búsqueda de otras sustancias similares. Se encontraron varios derivados del colesterol y de tintes que se comportaban así. Se concluyó que éstas muestran una mesofase, es decir, una fase intermedia en ciertos rangos de temperatura; son sustancias líquidas que poseen una estructura interna típica de los sólidos en esos rangos de temperatura.

Transcurridos unos años, el nuevo fenómeno había sido descrito y aceptado, pero los científicos no le habían encontrado aplicación práctica.

En 1970, se demostró que la corriente eléctrica de baja intensidad cambia la estructura interna de la mesofase, también llamada estado mesomórfico, lo que provoca variaciones en sus propiedades ópticas. Estas variaciones fueron aprovechadas, junto con otras propiedades como la polaridad de sus moléculas, en los primeros aparatos de cristal líquido, tales como las calculadoras, que requerían poca energía.

3. PROPIEDADES DE LOS CRISTALES LÍQUIDOS

Entre las numerosas propiedades de los cristales líquidos, existen dos que son de gran importancia para varias de sus aplicaciones y que a continuación serán desarrolladas: su actividad óptica y la polaridad de sus moléculas.

3.1 Actividad Óptica

Una sustancia es ópticamente activa si desvía el plano de polarización de un haz de luz polarizada que la atraviesa. Esta frase no es un trabalenguas escrito adrede, veremos lo que significa.

Para comprender este fenómeno y su aplicación tecnológica es necesario analizar algunas propiedades de la luz.

Las fuentes luminosas naturales emiten luz constituida por una sucesión de trenes de onda cuyos planos de oscilación del campo electromagnético varían en todas las direcciones. (Figura 1, izquierda de la reja).

Figura 1. Polarización de un haz de luz al atravesar un polarizador.

Sin embargo, es posible lograr que las vibraciones luminosas se propaguen en un plano único, la luz así obtenida se denomina polarizada (Figura 1, derecha de la reja). La luz polarizada es muy frecuente; por ejemplo, aparece en el reflejo de una ruta mojada y en la luz que es reflejada desde un espejo.

Para polarizar algo tan pequeño como las ondas luminosas, es necesario recurrir a una “rejilla” de mallas muy pequeñas, que se denomina polarizador. La naturaleza ofrece a discreción ciertos cristales, cuya estructura molecular en mallas es completamente adecuada para este fin. Algunos de los materiales utilizados son el cristal de calcita y la celulosa (polaroid).

Para el hombre, no es posible diferenciar a simple vista la luz polarizada de la luz natural. Para poder hacerlo es necesario colocar luego del polarizador, un analizador. Éste consiste en otra “rejilla” similar a la anterior, que sólo será atravesada completamente por el haz si se encuentra orientada en dirección paralela al plano de polarización de la luz. De no ser así, sólo pasará la componente paralela a la “rejilla” (ver Figura 2).

Figura 2. Componentes de la luz paralela (Ey) y perpendicular (Ex) al polarizador.

De más está decir que si el plano de polarización es perpendicular, no pasará haz de luz alguno. Una analogía es la observación de la “polarización del movimiento de una soga” (ver Figura 3). Si se mueve en forma circular el extremo de una soga, esta perturbación se propagará a lo largo de la misma como una onda. Si se interpone una primera valla (polarizador) a la salida de la soga se observa que la perturbación se propaga en un solo plano, se polarizó. Si se interpone una segunda valla paralela a la anterior (primer analizador), no se modifica el movimiento. Si se coloca una tercera valla perpendicular a las anteriores (segundo analizador), se anula totalmente el movimiento de la soga.

Figura 3. Analogía de polarización de una onda.

Ya estamos en condiciones de comenzar a comprender el trabalenguas relacionado con la actividad óptica. Si se hace incidir un haz de luz polarizada a través de una sustancia que presenta actividad óptica, el rayo emergente presentará una desviación en su plano de polarización. Este desvío se mide como el ángulo que forman los planos de polarización incidente y emergente.

Si la sustancia desvía el plano de polarización en sentido horario se dice que es dextrógira; mientras que si lo desvía en sentido anti horario se dice que es levógira. Cualquier molécula que carezca de un plano de simetría o de un punto de simetría, puede presentar este comportamiento.

Si se interpone una muestra de una sustancia ópticamente activa en la trayectoria de un haz de luz entre el polarizador y el analizador inicialmente paralelos, no se observará la salida total de luz después del analizador, salvo que se rote a éste el mismo ángulo que fue desviado el haz de luz debido a la acción de dicha sustancia (ver Figura 4).

Figura 4. a) Luz polarizada vertical. b) Luz girada polarizada. c) Luz polarizada sin cambios.

Las disoluciones de azúcar de caña son dextrógiras debido a la presencia de un punto de asimetría ocasionado por un átomo de carbono. El cuarzo presenta actividad óptica, la cual es una consecuencia directa de su estructura cristalina; la prueba está en que si se lo funde y se lo deja solidificar como poli cristal, desaparece esta propiedad.

Muchas partículas que forman los cristales líquidos también presentan el fenómeno anteriormente descrito.

En algunos cristales líquidos, por ejemplo, sucede que si las partículas están orientadas perpendicularmente a la dirección de propagación de la luz, el haz de luz polarizada es rotado a medida que atraviesa la capa de cristal líquido. En cambio, si se logra orientar sus partículas paralelamente a la dirección de propagación de la luz, el haz de luz polarizada no sufre desviación (ver Figura 5).

Figura 5. Acción del cristal líquido tipo colestérico sobre la luz polarizada. a) Cristal líquido sin actividad óptica. b) Haz de luz desviado por efecto del cristal líquido.

Por lo tanto, esta sustancia muestra ser ópticamente anisotrópica. De acuerdo al plano de la luz polarizada incidente, éste presentará o no actividad óptica. Cabe destacar que las soluciones de azúcar no son ópticamente anisótropas, pues al ser líquidas, presentan la misma actividad óptica en cualquier dirección que se mida.

¿Para qué servirá esta propiedad tan sui generis? ¿Alguna vez alguien le encontrará una aplicación práctica?

Comercialmente se utiliza como método de determinación de la proporción de azúcar de caña en una muestra dada, es decir, la medida de la rotación del plano de polarización que produce dicha disolución. Así, ¡el conocimiento científico se transformó en tecnología!

3.2 Polaridad

Como se mencionó anteriormente, la otra propiedad de los cristales líquidos en la que se basa su aplicación tecnológica es la polaridad de sus moléculas. Las moléculas de los cristales líquidos pueden ser polares, es decir que pueden presentar

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