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¿Qué son los Cristales Líquidos?

Los cristales liquidos

Los cristales líquidos se conocen ya desde hace más de 80 años y sin embargo continúan causando la impresión de algo misterioso. El motivo primordial estriba en la dificultad de asociar la representación de un cristal con la de un líquido. No obstante, la existencia de tales caracteres híbridos físico-químicos está actualmente comprobada y a pesar de todas las profecías ha otorgado incluso posibilidades para interesantes aplicaciones técnicas.

La expresión “cristal líquido” se ha generalizado más en la literatura popular que en el lenguaje científico; el especialista prefiere la expresión “mesofases”. “Meso” significa intermedio y se entiende por fase un estado de la materia, por ejemplo sólido, líquido o gaseoso. La expresión técnica indica por tanto, que se trata de estados materiales que se encuentran entre las formas de estados usuales, en este caso entre sólido-cristalino y líquido.

En las sustancias capaces de formar cristales líquidos, por ejemplo en el caso del benzoato de colesterilo, la transición puede incluso mostrarse gráficamente en la experimentación. Al calentar esta sustancia, que se presenta en forma de masa sólida, blanquecina, se transforma en una mase en fusión turbia a 145º C exactamente. Si se sigue calentando se obtiene de nuevo un punto de viraje, a 179º C precisamente; entonces se forma un líquido normal incoloro, transparente. El estado por el que nos interesamos es aquél de la masa en fusión turbia. Si se estudia más de cerca, se advierte entonces, que éste presenta algunas propiedades ópticas, que normalmente sólo son propias de los cristales. Se modifican especialmente las dimensiones ópticas sí se varía la dirección de la luz incidente. Esto demuestra que no puede tratarse de un líquido normal. Si se sacaran capas delgadas de una de estas microfotografías, éstas aparecerían completamente in estructuradas y monocromáticas.

El comportamiento descrito se aplica por una experiencia general de la física: elevaciones de la temperatura destruyen el orden. Como es sabido e cristal sólido es una estructura con elevado grado de ordenación. Si la forma cristalina se transforma en una masa en fusión por suministro de calor, ello no quiere decir otra cosa que se ha desmembrado la alineación uniforme de las partículas más pequeñas, de las moléculas. En estado líquido éstas no adoptan ya una dirección común, sino que se mezclan arbitrariamente. Las sustancias, que forman cristales líquidos no llevan a cabo esta transición de una forma directa, sino paso a paso. Después del proceso de fusión se origina un líquido, en el que las moléculas pueden desplazarse recíprocamente, con plena libertad de movimiento, pero se mantienen orientadas hacia una misma dirección.

Los físico- químicos que trabajan con cristales líquidos diferencian tres tipos: la fase nemática se distingue porque todas las moléculas están dispuestas en la misma dirección. La fase esméctica contiene asimismo moléculas con orientación uniforme, pero que están además enlazadas en estratos, dentro de los cuales están dispuestas verticalmente, como las cerdas de un cepillo, y pueden cambiar su lugar libremente. En la fase colesterínica las moléculas están dispuestas en capas paralelas a los planos de las mismas. En ella la orientación varía en cada capa, de tal manera que se origina una forma de espiral.

Todos los fenómenos ópticos que pueden observarse en los cristales líquidos están condicionados por la ordenación especial de las moléculas. Existen efectos cromáticos que no se pueden apreciar a simple vista; se precisa un “microscopio de polarización”. Este sirve también en cristalografía y mineralogía para percibir las moléculas o partes de ellas dispuestas paralelamente. Las imágenes de polarización caracterizan las zonas del orden cristalino uniforme mediante determinados colores. Prescindiendo de la manifestación científica, tales imágenes resultan también notablemente atractivas desde el punto de vista gráfico.

Tampoco otro tipo de efectos cromáticos, que se observa en los cristales líquidos, pertenece a aquellos colores de los cuerpos, que revelan los colorantes técnicos habituales. Antes bien se trata de “colores interferentes”, que se producen porque, mediante múltiples reflejos de la luz en capas moleculares, se intensifican determinados componentes lumínicos y se amortiguan otros. Dado que los colores dependen del espesor de las capas y éstas por su parte son influidas a su vez por la temperatura, los colores interferentes de los cristales líquidos varían al aumentar la temperatura. Estas y otras propiedades sugieren diversos tipos de utilización. De todas maneras debía resolverse un problema: los cristales líquidos de origen conocido, elaborables técnicamente, sólo se forman a temperaturas relativamente elevadas, generalmente en una zona entre 50 y 300º C. Estas temperaturas están por encima de las que tratamos cotidianamente. Debió por tanto intentarse la elaboración de sustancias que se transforman en cristales líquidos ya a la temperatura ambiente. Esto se logró solamente hace algunos años por el trabajo en colaboración de dos químicos: H. Kelker y B. Scheurle. La sustancia por ellos elaborada se denomina N-(pmetoxibencilideno)-p-n-butilamina, MBBA de forma abreviada, y es relativamente estable desde el punto de vista químico. El descubrimiento tiene su origen propiamente en un recuerdo de juventud del Dr. Kelker. Cuando era alumno del último curso superior cayó en sus manos un librito con el título “Cristales líquidos o la teoría de la vida”, que le causó una profunda impresión. Cuando posteriormente tropezó con el problema hasta entonces indisoluble de la separación de las sustancias químicas, volvió a recordar los cristales líquidos y con su ayuda pudo desarrollar efectivamente un nuevo principio de separación.

Sin embargo, actualmente los cristales líquidos no tienen sólo un interés científico, sino que encuentran también aplicación técnica. Una posibilidad para ella la suministra la formación de colores interferentes con elevación de la temperatura. Este efecto puede utilizarse en el llamado ensayo no destructivo de materiales, en la búsqueda de defectos de material, con lo que se evita una destrucción de la pieza de trabajo. Si se lleva a la superficie una mezcla apropiada de cristales líquidos y se le transmite una corriente eléctrica a través del material, se produce una acumulación térmica en los del material, aun cuando éstos se encuentren debajo de la superficie.

La temperatura elevada en estos lugares se hace visible en forma de mancha de color. Según el mismo principio pueden constatarse también focos de enfermedad debajo de la piel. La causa de un efecto cromático estriba quizás en este caso en una inflamación. La elevada intensidad de la irrigación sanguínea acarrea un aumento de la temperatura, que se hace visible mediante el color. Aparte del “termómetro de color”, encuentra otra aplicación que despierta especial atención: la pantalla receptora plana, que es utilizable para indicación de señales, pero que quizás posteriormente podría también desplazar a los engorrosos tubos de televisión.

El efecto, con el que se intenta un mayor acercamiento a este problema, cae dentro del ámbito del electromagnetismo. Las moléculas colesterínicas poseen pues propiedades magnéticas, diamagnéticas precisamente, es decir no son atraídas por campos magnéticos sino expulsadas. Por lo tanto puede observarse, mediante un campo magnético débil, que todas las zonas se colocan paralelamente, es decir que forman un correcto “monocristal líquido”.

En principio deberían esperarse también efectos similares en el caso de la instalación de campos eléctricos, cuyos efectos sin embargo se revelan como más complicados. La mayoría de las masas en fusión líquido-cristalinas son conductoras de la electricidad, de manera que se producen corrientes de las moléculas. Además el campo eléctrico origina también un movimiento rotatorio de las moléculas. Si éstas al girar se desvían del sentido del campo, ambos efectos actúan en contraposición. La consecuencia es una conducta hasta hoy todavía no aclarada satisfactoriamente, que se califica de “Dynamic Scattering”. Tal como su nombre indica, si las moléculas entran en movimiento su ordenación líquido-cristalina se destruye hasta en su partícula más pequeña. Como en el caso de un cristalino sólido, que se subdivide en diminutas esquirlas, se produce una dispersión múltiple de la luz.

Aun cuando hasta el momento no se sabe exactamente cómo tiene lugar este fenómeno, es no obstante natural que se aproveche en la práctica. Se necesita para ello únicamente poner la fase colesterínica entre dos placas especialmente preparadas. Para ello están dotadas de una rejilla fina de un metal, por ejemplo por evaporación de manera que entre dos puntos de ambas placas situados frente a frente siempre puede aplicarse una tensión eléctrica. Si se desconecta el campo, el líquido es claro, si se conecta se torna opaco. Si se cargan con tensión únicamente algunos puntos, se destaca en la capa una muestra que puede formarse a voluntad mediante la elección de los puntos.

Ya actualmente se fabrican por este sistema señales de tráfico, tablas indicadoras y similares, cuyas inscripciones pueden modificarse a voluntad mediante conexiones. Constituye una ventaja especial el hecho de que puedan ajustarse las proporciones predominantes de luz con al pantalla receptora líquido-cristalina. Para ello no se usa la disposición habitual de dos placas de cristal recubiertas de metal iluminadas desde atrás, sino que se estructura la placa posterior como espejo. La imagen aparece por tanto en la luz reflejada; es siempre tan luminosa como los alrededores.

(Fin del fragmento.)

Autor: Dr. Herbert W. Franke.


Cuando se escribió esta nota científica, todavía no se habían fabricado a nivel comercial, las pantallas de cristal liquido para imágenes (LCD), actualmente en uso en monitores Tele visores y proyectores.

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