7.9: Análisis de Fases de Cristal Líquido mediante Microscopía Óptica Polarizada

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Fases de cristal líquido

Los cristales líquidos son un estado de materia que tiene las propiedades entre el cristal sólido y el líquido común. Básicamente hay tres tipos diferentes de fases de cristal líquido:

Las fases de cristal líquido termotrópicas dependen de la temperatura.
Las fases de cristal líquido liotrópico dependen de la temperatura y la concentración de LC en el disolvente.
Los LC metalotrópicos están compuestos por moléculas orgánicas e inorgánicas, y la transición de fase no solo depende de la temperatura y concentración, sino que también depende de la relación entre moléculas orgánicas e inorgánicas.

Los LC termotrópicos son los más utilizados, los cuales se pueden dividir en cinco categorías:

Fase nemática en la que las moléculas en forma de varilla no tienen orden posicional, pero se autoalinean para tener un orden direccional de largo alcance con sus ejes largos aproximadamente paralelos (Figura\(\PageIndex{1}\) a).
Fase smáctica donde las moléculas se ordenan posicionalmente a lo largo de una dirección en capas bien definidas orientadas ya sea a lo largo de la capa normal (esméctica A) o inclinadas lejos de la capa normal (esméctica C), ver Figura\(\PageIndex{1}\) b.
Fase quiral que exhibe una torsión de las moléculas perpendicular al director, con el eje molecular paralelo al director Figura\(\PageIndex{1}\) c.
Fase azul que tiene una estructura cúbica tridimensional regular de defectos con periodos de celosía de varios cientos de nanómetros, y así exhiben reflexiones selectivas de Bragg en el rango de longitud de onda de la luz Figura\(\PageIndex{2}\).
Fase discotica en la que las moléculas LC en forma de disco pueden orientarse de manera estratificada Figura\(\PageIndex{3}\).

Figura Representaciones\(\PageIndex{1}\) esquemáticas de (a) una fase LC nemática, (b) fases LC smácticas orientadas a lo largo (izquierda) y alejada (derecha) de la normal de la capa, y (c) una fase LC quiral.

Figura\(\PageIndex{2}\) Una representación esquemática de la estructura ordenada de una fase LC azul.

Figura Representaciones\(\PageIndex{3}\) esquemáticas de (a) una fase de LC nemática discotica y (b) una fase de LC columnar discotica.

Los LC termotrópicos son muy sensibles a la temperatura. Si la temperatura es demasiado alta, el movimiento térmico destruirá el orden de los LC y lo empujará a una fase líquida. Si la temperatura es demasiado baja, el movimiento térmico es difícil de realizar, por lo que el material se convertirá en fase cristalina.

La existencia de fase de cristal líquido se puede detectar mediante microscopía óptica polarizada, ya que la fase de cristal líquido exhibe su textura única bajo microscopía. Las áreas contrastantes en la textura corresponden a dominios donde los LC están orientados hacia diferentes direcciones.

Microscopía óptica polarizada

La microscopía óptica polarizada se utiliza típicamente para detectar la existencia de fases de cristal líquido en una solución.El principio de esto corresponde a la polarización de la luz. Un polarizador es un filtro que solo permite que la luz orientada en una dirección específica con su dirección de polarización pase a través. Hay dos polarizadores en un microscopio óptico polarizador (POM) (Figura\(\PageIndex{4}\)) y están diseñados para orientarse en ángulo recto entre sí, lo que se conoce como polar cruzado. El fundamental del polo cruzado se ilustra en la Figura\(\PageIndex{5}\), la dirección de polarización del primer polarizador está orientada verticalmente al haz incidente, por lo que solo las ondas con dirección vertical pueden pasar a través del mismo. La onda pasada es posteriormente bloqueada por el segundo polarizador, ya que este polarizador se orienta horizontalmente a la onda incidente.

Figura\(\PageIndex{4}\) La configuración básica del microscopio óptico polarizado. Derechos de autor: Nikon Corporation.

Figura\(\PageIndex{5}\) Una representación esquemática de la polarización de las ondas de luz. Derechos de autor: Nikon Corporation.

Teoría de la birrefringencia

La muestra birrefringente o de doble refracción tiene una propiedad única de que puede producir dos componentes de onda individuales mientras una onda pasa a través de ella, esos dos componentes se calientan como ondas ordinarias y extraordinarias. La figura\(\PageIndex{6}\) es una ilustración de una construcción típica del prisma polarizador Nicol, como podemos ver, la luz blanca no plarizada se divide en dos rayos a medida que pasa a través del prisma. El que sale del prisma se llama rayo ordinario, y el otro se llama rayo extraordinario. Entonces, si tenemos un espécimen birrefringente localizado entre el polarizador y el analizador, la luz inicial se separará en dos ondas cuando pase a través del espécimen. Después de salir del espécimen, los componentes ligeros quedan desfasados, pero se recombinan con interferencia constructiva y destructiva cuando pasan por el analizador. Ahora la onda combinada tendrá onda de luz polarizada elíptica o circularmente, ver Figura\(\PageIndex{7}\), el contraste de la imagen surge de la interacción de la luz polarizada en plano con un espécimen birrefringente por lo que alguna cantidad de onda pasará por el analizador y dará un dominio brillante en el espécimen.

Figura\(\PageIndex{6}\) Una representación esquemática de un prisma polarzante Nicol. Derechos de autor: Nikon Corporation.

Figura\(\PageIndex{7}\) Una representación esquemática de ondas de luz polarizadas elíptica y circularmente. Derechos de autor: Nikon Corporation.

Pantalla de Cristal Líquido

La aplicación más común de LC es en pantallas de cristales líquidos (LCD). La figura\(\PageIndex{8}\) es una demostración simple de cómo funciona la LCD en calculadoras de dígitos. Hay dos polarizadores cruzados en este sistema, y entre estos dos polarizadores se ubica un sándwich de cristal líquido (patrón espiral colestérico) con carga positiva y negativa. Cuando se carga el cristal líquido, las ondas pueden pasar sin cambiar de orientación. Cuando el cristal líquido está fuera de carga, las ondas girarán 90° a medida que pasa a través de LC para que pueda pasar a través del segundo polarizador. Hay siete electrodos cargados por separado en la pantalla LCD, por lo que la LCD puede exhibir diferentes números de 0 a 9 ajustando los electrodos. Por ejemplo, cuando se cargan los electrodos superior derecho e inferior izquierdo, podemos obtener 2 en la pantalla.

Microscopio Imágenes de la Fase de Cristal Líquido

La placa de retardo de primer orden se utiliza frecuentemente para determinar el signo óptico de un espécimen birrefringente en microscopía de luz polarizada. El signo óptico incluye positivo y negativo. Si el frente de onda ordinario es más rápido que el extraordinario frente de onda (ver Figura\(\PageIndex{9}\) a). Cuando se agrega una placa de retardo de primer orden, la estructura de la celda se hace evidente comparada con la que no tiene placa de retardo, Figura\(\PageIndex{9}\) b).

Figura Imágenes\(\PageIndex{9}\) microscópicas de sección delgada de lengua humana, (a) sin placa de retardo de primer orden y (b) con placa de retardo de primer orden. Derechos de autor: Olympus.

Imágenes de Liquid Crystal Phases

La figura\(\PageIndex{10}\) muestra las imágenes de fases de cristal líquido de diferentes especímenes. En todas estas imágenes se utilizan placas de retardo de primer orden. Los contrastes aparentes se detectan aquí en la imagen lo que corresponde a la existencia de fase de cristal líquido dentro del espécimen.

Figura Imágenes de\(\PageIndex{10}\) microscopio en luz polarizada con una placa de retardo de primer orden insertada entre la muestra y el analizador: (a) polietilenglicol, (b) policarbonato y (c) ADN cristalino líquido. Derechos de autor de Nikon.

El Efecto de Rotación del Polarizador

Se puede analizar el efecto del ángulo entre la dirección horizontal y el eje de transmisión del polarizador sobre la aparición de la fase de cristal líquido. En la Figura\(\PageIndex{11}\) se muestran imágenes de una muestra de ácido ascórbico (Figura\(\PageIndex{12}\)) en modo polar cruzado. Cuando el polarizador gira de 0° a 90°, aparecen grandes variaciones en la forma de los dominios brillantes y los colores de dominio debido al cambio de las direcciones de vibración de las ondas. Al rotar el polarizador, podemos tener una comprensión integral de la textura general.