Resumen: Los cristales líquidos son sustancias que, cuando se calientan, pasan a través de estructuras intermedias entre el cristal con una red periódica bien ordenada en tres direcciones y el líquido completamente desordenado. En estos estados, contienen tanto líquido como cristal. Estas estructuras son el resultado de la forma no esférica de sus moléculas que se amontonan como fósforos, placas, cartas de un mazo de cartas o hélices. Estos son los mismos cristales líquidos que se esconden en las pantallas digitales bajo el acrónimo LCD. Los cristales plásticos, en cambio, tienen moléculas cuasiesféricas y representan otra forma de inventar un orden intermedio, debido a la movilidad rotacional de sus moléculas.

Para saber más sobre el tema

Cristal… líquido….. Dos palabras que parece extraño asociar. Como su nombre indica, los cristales líquidos son tanto cristalinos como líquidos. Pero, ¿cómo pueden ser ambos, sin ser ninguno de los dos? ¿Qué imágenes o pensamientos te evocan estas palabras?

naturalezaTal vez pueda imaginar una sustancia que tenga transparencia cristalina, y que también tenga la capacidad de moverse como un líquido. Un cristal de fluido.

A menos que, familiarizado con la tecnología, esté pensando en pantallas de cristal líquido, conocidas, al menos de nombre, por un público interesado en los procesos de pantallas iluminadas. Los cristales líquidos son ampliamente utilizados en la fabricación de esferas de relojes, monitores de portátiles, teléfonos móviles, televisión y juegos electrónicos.

Cristales y líquidos

Para entender los cristales líquidos, primero debemos saber lo que significan las nociones de cristal y líquido.

Se definen por la forma en que están dispuestos sus átomos o moléculas. La estructura cristalina se caracteriza por un apilamiento geométrico regular y repetitivo de un pequeño patrón de unos pocos átomos. El cuarzo y el diamante son cristales típicos.

Un cristal duro puede convertirse en líquido cuando se calienta a una temperatura suficiente. Por ejemplo, un metal es una sustancia cristalizada que se convierte en líquido y puede ser vertido y moldeado en un contenedor. Por el contrario, al enfriar un líquido, puede cristalizar como el agua. Pequeños cristales nacen en el líquido y comienzan a crecer.

Orden y desorden molecular

La transición del estado líquido al cristalino es un cambio físico repentino. El líquido es fluido. No tiene forma en sí misma, adopta la forma del recipiente en el que se vierte. El cristal es compacto y duro y conserva la forma en la que fue formado.

Esta transformación, que puede observarse a simple vista o bajo el microscopio, es la manifestación visible de un proceso atómico. Lo más espectacular es la modificación del orden atómico y molecular. En el líquido, los átomos se mueven libremente en todas las direcciones y se distribuyen desordenadamente por todas partes. En el momento de la cristalización, se almacenan en un orden compacto. Es este orden estricto y ordenado el que caracteriza a un cristal.

Nótese que hay sólidos que también tienen el desorden molecular del líquido. Estos son los vidrios o material de vidrio. El vidrio es un líquido congelado, un «congelamiento de imagen» del líquido. Sus átomos permanecen en desorden, incluso si se han detenido. Desde este punto de vista, el cambio entre un líquido y un vaso es mínimo. El vidrio y el líquido están en estado amorfo, lo que indica el estado de desorden, o distribución aleatoria de la posición de los átomos. A veces los vidrios cristalizan al bajar la temperatura o en otras circunstancias favorables. La transformación entre el desorden molecular amorfo y el orden cristalino es radical.

¿Qué hay de los cristales líquidos?

Es en el sutil paso entre el líquido y el cristal durante el enfriamiento que se revelarán a sí mismos. En efecto, en esta metamorfosis, algunas sustancias particulares no pasan directamente del estado líquido al estado cristalino. Durante el enfriamiento, pasan por estados intermedios. Todavía son líquidos, pero han perdido fluidez y tienen una apariencia turbia.

A nivel molecular, se detecta un orden parcial, de modo que son líquidos en algunos aspectos, pero ordenados como un cristal en otros. Son estas sustancias las que se llaman cristales líquidos.

Un nuevo estado entre lo amorfo y lo cristalino

El primero en mencionar la existencia de tales sustancias en el mundo científico fue el botánico austriaco Friedrich Reinitzer en 1888. Así que es relativamente reciente. Es probable que otros antes que él hubieran visto tales sustancias, sin comprender su singularidad. En efecto, no basta con estar frente a un fenómeno para comprenderlo, es necesario que la atención se capte y se lleve a interpretarlo de una manera nueva. Por lo tanto, la observación de un líquido turbio no sugiere inmediatamente una nueva estructura. O incluso, no se le presta atención porque no forma parte de las referencias conocidas.

Fue en contra de estas dudas con las que Reinitzer se enfrentó. Estudiaba los cristales de benzoato de colesterol y su transformación bajo la influencia del calor. La temperatura de fusión de una sustancia depende de su pureza. Sin embargo, una sustancia nunca es 100% pura. Siempre contiene una pequeña cantidad de moléculas extrañas o átomos que provienen del material del que se extrae o de productos de reacción o síntesis. Dependiendo del proceso de purificación, tenemos purezas de 1%, o 0,1%, o una parte por cada mil o un millón para los más elaborados.

Al calentar el benzoato, Reinitzer encontró que se derritió a 145.5°C y se convirtió en un líquido viscoso y lechoso. Iluminado con luz blanca, este líquido refleja reflejos de color que indican que está estructurado como un cristal. A continuación, este líquido se somete a una segunda transformación en un líquido claro a 178,5°C.

En ese momento, la existencia de dos temperaturas de fusión era difícilmente concebible. Los científicos habían identificado 3 posibles estados de la materia: sólido, líquido y gaseoso. Detectamos un punto de transición entre sólido y líquido, fusión, y otro entre líquido y gas, ebullición. Así, el agua se derrite a 0°C a presión atmosférica normal y hierve a 100°C. Entonces.

¿Cómo explicamos la existencia de dos puntos de fusión?

automaticasEn primer lugar, Reinitzer piensa que es una indicación de la presencia de impurezas, pero una purificación completa conduce al mismo resultado. Con la retrospectiva y las aplicaciones técnicas actuales, la existencia de cristales líquidos se ha convertido en algo natural. Sin embargo, cuando fueron descubiertos, fueron debatidos. Se sospechaba que el equipo de investigación no había tomado todas las precauciones de limpieza en sus experimentos. Un ejemplo entre muchos que muestra que la comunidad científica es generalmente reacia a aceptar hallazgos que van más allá del marco establecido (ver Controversias en el artículo Materia y radiación).

Los padres de los cristales líquidos

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Friedrich Reinitzer (1857 – 1927)

Otto Lehmann (1855 – 1922)

Georges Friedel (1865 – 1933)

Para ayudarle a entender el origen de esta transición intermedia, Reinitzer preguntó a un especialista en óptica cristalina, el físico alemán Otto Lehmann. Esto establece que el líquido viscoso, como el cristal, tiene características ópticas que dependen de la orientación en la que se ve o analiza. En 1905, demostró que el líquido lechoso es un estado de la materia por derecho propio que no tiene ni la simetría del cristal ni la del líquido.

Se trata de una estructura especialmente ordenada, intermedia entre el cristal sólido y el líquido claro, que Lehmann llama cristal líquido. Este nombre se estableció en la práctica, aunque más tarde se descubrió que los cristales líquidos no eran ni cristalinos ni realmente líquidos. Por esta razón, también se les llama estados mesomórficos (meso en griego = intermedio).

Formas moleculares

¿Qué hay de nuevo en la naturaleza de los cristales líquidos, que está ausente en otros tipos de materia, y que conduce a sus características particulares? La respuesta está en la forma particular de sus moléculas.

Los cristales minerales habituales están formados por átomos que se consideran esféricos y que se apilan según patrones simples, como cuadrados, diamantes o hexágonos (artículo Geometría cristalina). Los cristales líquidos son pilas de moléculas, no de átomos. Por supuesto, las moléculas son en sí mismas conjuntos de átomos, pero estos átomos están fuertemente conectados entre sí, de modo que las moléculas pueden ser consideradas como

objetos sólidos en sí mismos. Sin embargo, estos objetos no tienen necesariamente formas esféricas.

Algunas moléculas pueden apilarse en cristales moleculares. Si son aproximadamente esféricas, están dispuestas en estructuras similares a las de los cristales atómicos, pero más dilatadas (ver abajo, Cristales de plástico).

Si las moléculas tienen formas alargadas o hinchadas, esto conducirá a otros tipos de apilamiento. Este es el caso de los cristales líquidos, cuyas moléculas pueden tener varias formas: palos, discos, estrellas, pirámides, comas, etc.

Tomemos como ejemplo una forma que se encuentra abundantemente en los cristales líquidos: la forma alargada de la varilla o aguja. No se pueden ensamblar fósforos como se ensamblan pelotas. No pones plátanos en una canasta como las naranjas. Cuando se apilan palos, una tendencia natural es colocarlos en la misma orientación, como en una caja de cerillas. Obtenemos algo que no existe en una pila de esferas, es un orden de orientación.

Movilidad molecular

Otra característica importante es la movilidad que queda entre las moléculas. Sí, las moléculas de varilla tienen una tendencia a alinearse y acercarse, pero su atracción mutua es baja. Así como los fósforos pueden moverse en sus cajas si se agitan un poco, así las moléculas pueden deslizarse fácilmente unas contra otras. Es esta movilidad la que los hace similares a los líquidos. Los cristales líquidos en su fase intermedia son generalmente viscosos o pastosos, sin alcanzar la fluidez de un líquido.

Cuando se calienta, el espacio entre las varillas aumenta hasta que pueden girar en todas las direcciones. El orden de orientación se pierde, la movilidad aumenta. Estamos en la fase líquida.

En el estado nemático, las moléculas están aproximadamente orientadas en la misma dirección y ensambladas como nuestras cerillas mencionadas anteriormente. Tienen la posibilidad de deslizarse uno encima del otro como troncos de madera flotando en un río. Además, los centros de las moléculas se colocan al azar, en desorden. Por lo tanto, no existe un orden de posición, igual que en un orden amorfo. El orden de su montaje es un orden de orientación y sólo eso.

En realidad, las moléculas de varilla no obedecen estrictamente este orden. Su paralelismo es aproximado. Sus orientaciones están ligeramente dispersas entre sí en una dirección media. Al igual que los fósforos tienen juego en sus cajas, la orientación de las moléculas de cristal líquido es media. Las diferencias son más o menos significativas y pueden variar según las condiciones.

¿Cómo encaja esta estructura esquemática de moléculas paralelas con nuestra observación de las texturas de los hilos?

Para ello, debemos ampliar nuestra visión. La estructura descrita es cierta localmente, como si sólo estuviéramos mirando unos pocos troncos flotantes cercanos. Si retrocedemos, vemos grupos de troncos en diferentes orientaciones. De manera similar para las moléculas, se puede ver que se yuxtaponen diferentes dominios con diferentes orientaciones.

Al igual que en los nematodos, la orientación de las moléculas es una orientación media, alrededor de la cual sus ejes están más o menos dispersos. En cuanto a los nematodos, se yuxtaponen dominios de diferentes orientaciones. Dentro de dominios extendidos, las capas se doblan y se dislocan, creando texturas en forma de abanico.

Georges Friedel, durante sus clasificaciones estructurales, dio su nombre a los smectics. Smectic proviene del antiguo nombre griego smectos que significa jabón. ¿Por qué jabón, ya que no se trata de jabones? Porque Friedel no tenía datos tan precisos como los rayos X nos proporcionan su microscopio, y hay fuertes analogías estructurales entre los esméticos y los jabones. Al igual que los esméticos, los jabones tienen una estructura en capas que contiene moléculas paralelas.

formas-moleculares

Sin embargo, la estructura de los jabones difiere de la de los esméticos. Se caracteriza por un elemento esencial adicional, que no se mantiene en la definición de la estructura esméctica: las moléculas de los jabones están polarizadas, es decir, sus dos extremos son muy diferentes.

En nematodos y esméticos, hemos estado en presencia de moléculas que tienen extremos equivalentes, pero diferentes. Podemos decir que tienen dos colas, y las moléculas pueden estar orientadas hacia arriba o hacia abajo. Se mezclan felizmente en ambas direcciones.

En el caso de los jabones, las moléculas tienen dos extremos bien diferenciados.

Podemos decir que tienen una cabeza y una cola y podemos ver su significado. La cabeza tiene dificultad para soportar la presencia de la cola de otra molécula. Las cabezas logran estar del mismo lado, una al lado de la otra. Debido a su estructura química, por lo tanto eléctrica, la cabeza tiene una afinidad por el agua (es hidrófila). La cola odia el agua (es hidrofóbica). Debido a la cal, las capas son dobles, las colas de una capa se protegen al juntarse con las colas de la siguiente. Así, las dos capas se reflejan, las moléculas de una apuntan hacia arriba y las de la otra hacia abajo.

Las cabezas de dos capas adyacentes también se enfrentan entre sí. Cuando el jabón se pone en el agua, las colas rechazan el agua y quedan atrapadas. Por otro lado, las cabezas reciben este agua que se desliza entre ellas y las separa de la siguiente doble capa. Las capas dobles se vuelven móviles, es decir, solubles en agua.

Condensación y rotura de simetría

herramientasLa transición de líquido a nemático, luego de nemático a esméctico se produce con un cambio estructural repentino y un aumento de la densidad. Cada fase tiene sus propias características físicas. Se denominan fases mesomorfas. La transición de una fase a otra tiene lugar a una característica de temperatura de transición de la sustancia.

Tomemos un cristal líquido en palitos y calentémoslo a un estado líquido. En la fase líquida, las varillas están en movimiento perpetuo, girando en todas las direcciones y moviéndose. Si ubicamos su posición por un punto en el centro de la molécula, su centro de gravedad por ejemplo, los centros están distribuidos de manera desordenada. Si congelamos la situación en el tiempo, tenemos la estructura amorfa: ningún elemento de orden.

Cuando este cristal líquido se enfría, las moléculas se tensan.

Es una condensación. Pasamos de la fase líquida a la fase nemática. Allí aparece un nuevo orden: la orientación de las moléculas. Aunque estaban en todas las direcciones, se están acercando y eligiendo una dirección común a nivel local. Las moléculas pierden su libertad individual y todo gana un elemento de orden.

Aunque todas las orientaciones eran equivalentes, se favorece una dirección. Hay un cambio en la simetría. Los científicos dicen que una ruptura o ruptura en la simetría. Porque ¿cómo eligen las moléculas su orientación entre todas las direcciones posibles? Sólo hay un camino por recorrer.

A medida que se enfría, la sustancia pasa a la fase esméctica. Los centros de las moléculas están ahora alineados en capas. Estas capas están dispuestas en una periodicidad a lo largo de una dimensión. La sustancia obtiene un elemento de pedido de posición.

Esta estructura esméctica también puede ser descrita desde un entramado cristalino tridimensional introduciendo un elemento de desorden. Mientras que en los cristales todo está fijado en su lugar, en esméticos, las capas pueden deslizarse en relación con las demás y rotar, mientras permanecen en contacto, como las cartas de una baraja de cartas. Esto lleva, por ejemplo, a que la orientación de las moléculas en una capa sea indiferente a la de la capa adyacente.

Si nos enfriamos aún más, normalmente no obtenemos el cristal inmediatamente. Entre la esmética que hemos descrito y el cristal, hay otras fases intermedias en las que las capas adquieren más orden y menos simetría. Como estas fases permanecen en capas, también se denominan fases esmécticas y su tipo se especifica mediante una letra.

Estructura molecular

Veamos un poco más de cerca el uso de la palabra palo cuando se trata de una molécula.

¿Es posible definir la forma de una molécula?

Una molécula es un conjunto de átomos que están unidos entre sí por enlaces sólidos, pero generalmente flexibles. Estos vínculos suelen estar articulados. Los grupos de átomos pueden rotar entre sí como los segmentos articulados de un esqueleto.

El átomo de carbono es un componente importante de las moléculas de cristal líquido. Los átomos de carbono se pueden ensamblar en cadenas articuladas flexibles. Sin embargo, su rotación puede estar bloqueada en algunos lugares. También tienen la posibilidad de ensamblarse en un círculo rígido de 6 átomos. Esta configuración es el elemento básico del benceno y por esta razón se denomina anillo de benceno. Dependiendo de la flexibilidad y amplitud de las juntas de carbono, la molécula es flexible y deformable, o tiene una forma rígida definida. También puede tener partes flexibles y otras partes rígidas. Son las partes rígidas las que le dan forma.

Los palos están formados por un conjunto de anillos de benceno unidos por eslabones rígidos. El todo constituye la parte rígida de la molécula. Esta pieza se prolonga en ambos extremos mediante colas flexibles y móviles (Q1 y Q2). El tamaño de las moléculas es microscópico, de unos pocos nanómetros de largo y unas pocas décimas de nanómetro en la sección transversal. Los diferentes cristales líquidos difieren en la composición y ubicación de la parte rígida y las colas.

Terminología griega

En algunos textos científicos, las sustancias cuyas moléculas están en forma de palos se denominan calamidades, pero este término no es bienvenido, sino más bien «calamitoso». El término calamidad viene del griego calamos, que significa caña y no palo. A los científicos les gusta dar nombres griegos a sus descubrimientos, sin ser expertos en lingüística. Si quisiéramos dar un nombre griego (¿pero por qué?), sería bacteriano, del griego palo. ¿Eso significa algo para ti? Sí, las bacterias se descubrieron por primera vez bajo el microscopio como corpúsculos en forma de vara.

Las moléculas con otras formas se apilan en otros tipos de estructuras mesomórficas. Inventando nuevas moléculas, podemos crear estructuras extrañas y exóticas. Los químicos saben cómo construir moléculas con formas específicas, como un juego de construcción: por ejemplo, cintas o discos. Injertan colas flexibles en núcleos rígidos. Si extendemos un núcleo en varias direcciones coplanares, tenemos moléculas planas.

Las moléculas en forma de disco se amontonan como pilas de placas. Forman columnas que se disponen una al lado de la otra en un orden periódico. Esta estructura se llama discotica.

Finalmente, otras moléculas se tuercen. Sus pilas entonces reflejan este carácter de torsión, es el colesterol.

Colestérica: disposición helicoidal

Imagina que tienes los plátanos en una caja. Si son casi idénticos, puede organizarlos en filas. Cuando el fondo está lleno, se hace una segunda capa. El primer plátano de la segunda capa tiende a cuajar en el agujero entre dos plátanos de la capa inferior. Por lo tanto, hay un cambio de posición entre las dos capas, pero están orientadas de la misma manera.

bombillaAhora imagina que los plátanos son una especie especial: rebotan en un extremo. En lugar de colocarse plano en el fondo de la caja, hay una punta que se mantiene en pie, pero no verticalmente, sino oblicuamente. Apilar la segunda capa no será tan sencillo. Los plátanos en la parte superior deben ser ligeramente girados en relación con los de la parte inferior. La tercera capa también se girará en relación con la segunda. La forma con la punta levantada le da un giro a la pila.

Esto es lo que sucede con la colestérica. La primera sustancia estudiada por Reinitzer fue un derivado, y eso es lo que le dio su nombre a esta clase de cristales líquidos.

Bajo el microscopio, descubrimos líneas curvas equidistantes y paralelas que dibujan figuras características en las huellas dactilares. La distancia entre dos líneas adyacentes está en el rango del micrómetro, lo suficientemente grande para ser claramente visible bajo el microscopio. Esta distancia entre dos líneas vecinas es única y repetitiva. Esta es una firma característica del colesterol observado.

Esta periodicidad es la consecuencia directa del ensamblaje retorcido. En la forma colestérica, no hay realmente ninguna capa como la que describí con los plátanos, que es sólo una imagen aproximada. Son planes que se solapan bastante. Si mantenemos la imagen de un apilamiento de abajo hacia arriba, la orientación de las moléculas cambia continuamente de abajo hacia arriba. A un cierto espesor, encontramos la orientación inicial de nuevo, giramos 360°. Este espesor es la distancia entre dos líneas, la periodicidad.

En la huella colestérica, las moléculas son paralelas entre sí en un plano – el que corresponde al fondo de la caja. En este plano, como en los nematodos, no tienen una posición determinada. Sólo se impone su orientación, con algunas desviaciones posibles. En tal plano, el colesterol es idéntico al de un nemático. Poco a poco pasamos a los otros planos paralelos y de un plano a otro, la orientación común se va rotando poco a poco.

Esta disposición es, por definición, una disposición en hélice. La orientación de un elemento como una molécula gira regularmente a medida que se mueve en una dirección. Es el principio de un perno y una rosca que está grabado en él. Cuando se gira el perno, avanza hacia la tuerca. Cada vez que damos una vuelta completa, avanza a una distancia que es la longitud entre las dos roscas, es el paso de la hélice. Hay pernos con pasos finos, que avanzan lentamente, y pernos con pasos anchos, que avanzan muy rápidamente.

La helicidad de la estructura es inducida por la particular forma asimétrica de las moléculas. La palabra simetría puede permanecer imprecisa, así que doy algunas explicaciones. Hay muchos tipos de simetrías y cuando hablamos de un objeto que es simétrico, es necesario especificar cómo debe hacerse.

El cuerpo humano es aproximadamente simétrico en un plano que lo atraviesa, separando sus mitades izquierda y derecha, un plano vertical antes y después (plano mediano o sagital). Esto significa que una mitad (los detalles se ignoran aquí) es idéntica al reflejo de la otra mitad en un espejo. Se dice que una forma es simétrica con respecto a un plano si se puede encontrar dicho plano de referencia. Un punto en una mitad tiene su correspondencia en su simetría con la otra mitad. Las simetrías también se pueden describir con respecto a una línea o un punto.

Cilindros como nuestros palos tienen un eje de simetría, e incluso varios. También lo son los discos. Pueden girar alrededor del eje sin cambiar su apariencia.

Ahora consideremos nuestras manos.

Una sola mano no tiene un elemento de simetría. Si lo partimos por la mitad, tendremos el pulgar en un lado, pero no en el otro. La mano, como las moléculas del colesterol, es asimétrica. Pero, si consideramos nuestras dos manos, son simétricas entre sí. Hay una mano izquierda que es el reflejo del espejo de la mano derecha. Puede definir un significado a mano: izquierda o derecha, porque no son idénticos. Este no es el caso de un objeto simétrico como un palo. Cuando podemos definir el significado de un objeto, éste tiene su correspondencia en la dirección opuesta al objeto, idéntica a su reflejo en un espejo. Es una simetría quiral (pronunciar kiral, ¡es griego!). La palabra «quiralidad» está forjada a partir de una antigua palabra griega que significa «mano» (también dio quiropráctico).

Otro ejemplo de un objeto quiral: una cuchara pequeña normal es simétrica ya que su mitad izquierda es idéntica a su mitad derecha en reflexión. Si retuerces y retuerces la cuchara de un lado, le das una dirección a la derecha o a la izquierda. En el mundo de las cucharas, hay cucharas retorcidas a la izquierda y otras a la derecha. En el mundo de las moléculas, hay moléculas a la izquierda y moléculas a la derecha.

Cada vez que aparece una espiral o una hélice, tenemos un objeto quiral. Las hélices y espirales son de dos tipos, las que ruedan en una dirección y las que ruedan en la otra. Los sacacorchos son un ejemplo conocido. Normalmente están a la derecha, lo que significa que tenemos que girar a la derecha para que puedan entrar en el corcho. Pero en las tiendas de bromas y trucos, hay sacacorchos para zurdos que se hunden al girar a la izquierda.

La quiralidad ocurre frecuentemente en la naturaleza, tanto en las formas espirales de las conchas y plantas como en las galaxias (ver Espirales y hélices), y en las moléculas retorcidas del ADN (ver ADN y código genético). La quiralidad consiste en dar un sentido de rotación.

Las colestérica son nematodos a los que la quiralidad de las moléculas les ha dado un carácter helicoidal. Cabe señalar que también hay esmecticismo quiral. Tienen tanto la estructura en capas de la esmética como la disposición helicoidal de las moléculas quirales.

Cristales de plástico

Los cristales líquidos no son las únicas sustancias con una fase mesomórfica. La naturaleza ha inventado otras formas de introducir un orden parcial entre el líquido y el cristal. Este es el caso de los cristales de plástico.

La existencia de cristales plásticos ha sido descubierta observando su comportamiento cuando se calientan desde el estado cristalino. Fueron descubiertos por J. Timmermans en 1938. Intentaba comprender cómo el calor necesario para fundir los compuestos orgánicos (moléculas basadas en átomos de carbono) dependía de su composición química. Encontró que algunos compuestos orgánicos de estructura relativamente simple tenían una temperatura de fusión anormalmente alta. Las moléculas de todos estos compuestos eran aproximadamente esféricas.

Un cristal plástico tiene una fase intermedia entre el sólido y el líquido.

Al calentarlo desde el estado cristalino, observamos una transición a una fase más plástica y deformable, de ahí su nombre. Tiene un aspecto suave y ceroso. Se mantiene hasta otra transición a la fase líquida. Por ejemplo, el adamantano tiene una transición a -64°C y se vuelve líquido a 269°C.

Los cristales plásticos son cristales moleculares, por lo que están formados por una pila de moléculas. Las moléculas son más grandes que los átomos porque están formadas por un grupo de átomos unidos. Las redes moleculares son similares a las de los cristales atómicos ordinarios, cúbicos, tetragonales o hexagonales, pero más dilatados. En el momento del cambio de estado en la fase plástica, los centros de gravedad de las moléculas conservan o no la posición que ocupaban en el estado sólido. Así, la red de adamantano es tetragonal en su fase cristalina por debajo de -64°C y se vuelve cúbica con caras centradas en su fase plástica.

No es en este cambio de la simetría de la red -que no necesariamente tiene lugar- donde reside la característica de la fase plástica, sino en el cambio de la movilidad de las moléculas. Tanto en la fase plástica como en la cristalina, permanecen firmemente colocadas en los nodos de la red. Pero las moléculas se toman la libertad de volverse contra sí mismas. Su forma globular facilita esta rotación. Es este elemento de libertad el que lo convierte en una fase mesomórfica.

Aquí están algunas sustancias que dan las fases cristalinas plásticas: adamantanona, pentacloronitrobenceno, etanol, carborano, alcanfor o borneol, diclorobenceno, ciclohexano, ciclohexano, ciclohexanol, fullereno.

Molécula de carborano Molécula de fullereno Molécula de cristal de fullereno Red de cristal de fullereno

Carborano: La molécula B10C2H12 es un icosaedro (20 triángulos y 12 vértices – ver Geometría Cristalina). Es casi una esfera.

Fullereno o C60

El fullereno está compuesto de moléculas de al menos 60 átomos de carbono (de ahí su nombre C60). Se dividen en hexágonos y pentágonos que dibujan un poliedro semirregular, una forma cercana a una esfera. Su diámetro es de 0,7 nm, realmente muy pequeño. Hay toda una familia de estas moléculas. El C60 tiene la capacidad de apilarse en una estructura cúbica con caras centradas.

El C60 fue sintetizado y estudiado en 1985 por Harry Kroto de la Universidad de Sussex (Inglaterra) en colaboración con el profesor Smalley y el equipo de Bob Curl en Houston (EE.UU.). Más tarde fue nombrado fullerene en honor al arquitecto Buckminster Fuller, mejor conocido por su diseño de cúpulas geodésicas (ver Redes Planetarias y Poliédricas).

Pantalla de cristal líquido (LCD)

Si está familiarizado con la documentación técnica de las pantallas de televisión, ordenador o teléfono, sabe que muchas de ellas están construidas con tecnología de cristal líquido (LCD). El presente artículo, al igual que los demás artículos de este sitio, no tiene por objeto exponer información tecnológica. Me gustaría recordarles que el propósito de mis artículos es describir las fuerzas de la materia y las fuerzas de la vida y proporcionar una mejor comprensión de cómo interactúan con nosotros. Sin embargo, después de estas explicaciones sobre las moléculas de cristal líquido y los cambios en la simetría de sus estructuras, una pregunta puede venir naturalmente a la mente, a la que daré algunas respuestas: ¿Qué tiene que ver esto con la exhibición? ¿Qué los hace aptos para tal uso?

Respuesta: Los cristales líquidos tienen características ópticas únicas.

Las propiedades de difusión, transparencia o reflexión de la luz a través de una capa de cristal líquido pueden modificarse y controlarse cuando la capa se somete a un campo eléctrico.

Tomemos el caso de un nemático. Se caracteriza por la orientación de las moléculas. Tomemos una película que cubre un área muy pequeña, una celda que es un segmento pequeño o un punto pequeño en la escala de nuestra visión. Será un punto de una imagen (píxel) o el segmento de un número. Sin embargo, la superficie de esta película a escala microscópica es lo suficientemente grande como para contener muchos dominios con diferentes orientaciones moleculares. Si se ilumina por delante o por transparencia, la luz es difusa, la película es lechosa, no transparente. Sin embargo, bajo el efecto del campo eléctrico, estas moléculas se orientan más o menos fuertemente en la dirección del campo, dependiendo de su fuerza, y todas se alinean. La película se vuelve transparente.

El funcionamiento de las pantallas de cristal líquido se basa en estos cambios de orientación en presencia de un campo eléctrico. Cuando se activa el campo eléctrico, la estructura es, por ejemplo, transparente y el píxel no es visible. Cuando se corta el campo, la estructura vuelve a su estado desordenado original, dispersa la luz y se vuelve visible. Esto permite activar y desactivar el píxel.

La tecnología real es más sofisticada para mejorar el contraste y asegurar que la visión no se vea demasiado afectada por el ángulo de visión. Hay varios procesos. Uno de ellos es el efecto nemático retorcido (TN). Aquí está su principio:

Principio de la pantalla de cristal líquido

La nemática se deposita entre las dos superficies de vidrio de una célula. Sin embargo, es posible preparar la superficie del vidrio de tal manera que las varillas se coloquen planas y se vean obligadas a adoptar una orientación. Todas las varillas están orientadas de la misma manera a la superficie de la placa inferior y de la misma manera a la superficie de la placa superior. Pero logramos que estas dos orientaciones se desplacen 90°. Por lo tanto, la nemática se retuerce de una a otra.

En la parte exterior de cada superficie de vidrio se coloca un polarizador que gira 90°. Iluminamos la superficie. La función de un polarizador es filtrar la luz para que sólo se retenga la luz que vibra en una dirección específica. En ausencia de nemática, la dirección impuesta por el primer polarizador se detiene por el segundo, no pasa la luz. Pero cuando la nemática retorcida está presente, ella misma rota la luz en 90°, que ya no se detiene. El celular está encendido.

Cada una de las dos superficies de vidrio se cubre con una película conductora para aplicar un campo eléctrico. Cuando se aplica el campo, las moléculas se alinean gradualmente en la dirección del campo. La luz ya no es desviada por las moléculas, por lo que es detenida por el segundo polarizador. La celda está apagada.

Si se corta el campo eléctrico, se reforma la estructura retorcida y se reactiva la célula.

Cristales y geometría cristalina.

vacunacionEl diamante y el cuarzo son cristales típicos por su pura transparencia y formas geométricas. La geometría externa es la manifestación de una geometría interna. Los cristales se construyen mediante el apilamiento periódico ordenado de pequeños ladrillos atómicos elementales, las mallas. Cuando falta este orden, se dice que el material es amorfo o vítreo. La cristalización es una transformación extraordinaria que pasa del desorden líquido al orden compacto.

Las rocas y cualquier material, incluidos los materiales industriales (metales, silicio, polímeros), contienen dominios cristalinos y amorfos. Recientemente, se ha reconocido la existencia de dominios cristalinos con geometrías más complejas (cuasicriso), cuya periodicidad sólo puede ser detectada en un espacio mayor. Los cristales proporcionan ejemplos de cómo el espacio puede ser pavimentado por poliedros tales como cubos, octaedros y dodecaedros. Este artículo pretende revelar la belleza, la precisión y la inteligencia de las formas geométricas cristalinas.

Polímeros, estructuras y propiedades. La mayoría de las veces los plásticos sintéticos, a veces naturales, deben su desarrollo a su amplia gama de características, duros, blandos o elásticos, transparentes u opacos, aislantes y a veces conductores, más o menos resistentes a las condiciones agresivas de su uso, siempre ligeros. Es la naturaleza particular de sus moléculas en forma de cadena, así como la variedad de métodos de ensamblaje que adoptan, lo que está en el origen de esta diversidad.

De las partículas a las galaxias, la Espiral, el movimiento primordial de la vida. Las espirales están presentes en todos los niveles de la creación, desde las moléculas hasta las galaxias. La espiral es un movimiento fundamental incrustado en la estructura del universo. Se manifiesta en diferentes formas (plana, cónica o cilíndrica) en plantas, animales y seres humanos. En el aire, el agua y la sangre, es el movimiento natural de la vida. El agua y los ríos pueden ser revitalizados a través de sistemas espirales de concreto. Sobre la base de este principio existen nuevos motores potentes, económicos y no contaminantes. A lo largo de la historia, los pueblos antiguos han representado y venerado la espiral como la fuente creadora que nutre y desarrolla dentro de nosotros, pero de la que estamos lejos. En la forma del dios serpiente Quetzalcóatl, es la fuerza salvadora la que restaura la conexión original. Cuando caminamos por un camino espiral laberíntico, enderezamos nuestro estado de energía y recuperamos la integridad de nuestra alma.

Los polímeros, comúnmente denominados «plásticos», son inseparables de nuestro entorno y de nuestra vida práctica. Se han establecido en todas las áreas de nuestras actividades, desde los objetos más comunes hasta las aplicaciones técnicas más sofisticadas, incluyendo su uso en productos de higiene o alimenticios. La mayoría de las veces sintéticas, a veces naturales, deben este crecimiento a su amplia gama de características, duras, blandas o elásticas, transparentes u opacas, aislantes y a veces conductoras, más o menos resistentes a las condiciones agresivas de su uso, siempre ligeras. Es la naturaleza particular de sus moléculas en forma de cadena, así como la variedad de métodos de ensamblaje que adoptan, lo que está en el origen de esta diversidad.

Gracias a las muchas imágenes, a veces sorprendentes y magníficas, adquiridas por microscopía óptica o electrónica, el lector está entrenado para visitar, contemplar y comprender las múltiples facetas de estas microestructuras que se presentan como cristales, fibras, cristales líquidos, geles, fractales. Descubre que estas microestructuras se distinguen por su tipo de organización y grado de orden, y que este orden se rige por las fuerzas internas de la materia y las limitaciones y tratamientos externos que se les imponen.

Tabla de contenidos: Polímeros entre nosotros; Orden y desorden en la materia, estado amorfo; Polímeros cristalinos; Cristales laminares; Fibras; Entre amorfos y cristalinos, polímeros de cristal líquido; Compuestos y mezclas de polímeros; Copolímeros; Geles y gelificación, percolación y fractales; Difracción de rayos por la materia; El aspecto de los microscopios; Imágenes y su tratamiento; Formas y fuerzas.