11.8: Cristales Líquidos

Objetivos de aprendizaje

• Describir las propiedades de los cristales líquidos.

Cuando se enfrían, la mayoría de los líquidos experimentan una transición de fase simple Otro nombre para un cambio de fase. a un sólido cristalino ordenado, una sustancia relativamente rígida que tiene una forma y volumen fijos. En los diagramas de fases para estos líquidos, no hay regiones entre las fases líquida y sólida. Se conocen miles de sustancias, sin embargo, que exhiben una o más fases intermedias entre el estado líquido, en el que las moléculas son libres de voltear y pasar unas de otras, y el estado sólido, en el que las moléculas o iones están rígidamente bloqueados en su lugar. En estas fases intermedias, las moléculas tienen una disposición ordenada y aún así pueden fluir como un líquido. De ahí que se les llame cristales líquidos Una sustancia que exhibe fases que tienen propiedades intermedias entre las de un sólido cristalino y un líquido normal y poseen un orden molecular de largo alcance pero aún fluyen. , y sus propiedades inusuales han encontrado una amplia gama de aplicaciones comerciales. Se utilizan, por ejemplo, en las pantallas de cristal líquido (LCD) en relojes digitales, calculadoras y pantallas de computadora y video.

El primer ejemplo documentado de un cristal líquido fue reportado por el austriaco Frederick Reinitzer en 1888. Reinitzer estaba estudiando las propiedades de un derivado del colesterol, el benzoato de colesterilo, y notó que se comportaba de manera extraña a medida que se fundía. El sólido blanco primero formó una fase líquida blanca turbia a 145°C, que se transformó reproduciblemente en un líquido transparente a 179°C, las transiciones fueron completamente reversibles: enfriar el benzoato de colesterilo fundido por debajo de 179°C provocó que el líquido transparente volviera a uno lechoso, que luego cristalizó en el punto de fusión de 145°C.

En un líquido normal, las moléculas poseen suficiente energía térmica para superar las fuerzas de atracción intermoleculares y caer libremente. Esta disposición de las moléculas se describe como isotrópica La disposición de moléculas que está igualmente desordenada en todas las direcciones. , lo que significa que está igualmente desordenada en todas las direcciones. Los cristales líquidos, en contraste, son anisotrópicos Una disposición de moléculas en la que sus propiedades dependen de la dirección en la que se miden. : sus propiedades dependen de la dirección en la que son vistas. De ahí que los cristales líquidos no estén tan desordenados como un líquido porque las moléculas tienen cierto grado de alineación.

La mayoría de las sustancias que exhiben las propiedades de los cristales líquidos consisten en moléculas largas y rígidas en forma de varilla o disco que son fácilmente polarizables y pueden orientarse de una de tres maneras diferentes, como se muestra en la Figura 11.8.1. En la fase nemática Una de las tres formas diferentes en que la mayoría de los cristales líquidos pueden orientarse. Sólo se alinean los ejes largos de las moléculas, por lo que son libres de rotar o deslizarse una más allá de la otra. , las moléculas no están estratificadas sino que apuntan en la misma dirección. Como resultado, las moléculas son libres de rotar o deslizarse una más allá de la otra. En la fase esméctica Una de las tres formas diferentes en que la mayoría de los cristales líquidos pueden orientarse. Los ejes largos de las moléculas están alineados (similar a la fase nemática), pero las moléculas también están dispuestas en planos. , las moléculas mantienen el orden general de la fase nemática pero también están alineadas en capas. Se conocen varias variantes de la fase esméctica, dependiendo del ángulo formado entre los ejes moleculares y los planos de las moléculas. La estructura más simple de este tipo es la llamada fase A esméctica, en la que las moléculas pueden girar alrededor de sus ejes largos dentro de un plano dado, pero no pueden deslizarse fácilmente una junto a la otra. En la fase colestérica Una de las tres formas diferentes en que la mayoría de los cristales líquidos pueden orientarse. Las moléculas están dispuestas en planos (similares a la fase esméctica), pero cada capa se gira una cierta cantidad con respecto a las que están por encima y por debajo de ella, dándole una estructura helicoidal. , las moléculas se orientan direccionalmente y se apilan en un patrón helicoidal, con cada capa girada en un ligero ángulo con respecto a las que están por encima y por debajo de ella. A medida que el grado de ordenación molecular aumenta de la fase nemática a la fase colestérica, el líquido se vuelve más opaco, aunque las comparaciones directas son algo difíciles porque la mayoría de los compuestos forman solo una de estas fases de cristal líquido cuando el sólido se funde o el líquido se enfría.

Figura 11.8.1 La disposición de las moléculas en las fases de cristal líquido nemático, esméctico y colestérico En la fase nemática, solo los ejes largos de las moléculas son paralelos, y los extremos están escalonados a intervalos aleatorios. En la fase esméctica, los ejes largos de las moléculas son paralelos, y las moléculas también están dispuestas en planos. Finalmente, en la fase colestérica, las moléculas se disponen en capas; cada capa se gira con respecto a las de arriba y por debajo para dar una estructura en espiral. El orden molecular aumenta de la fase nemática a la fase esméctica a la fase colestérica, y las fases se vuelven cada vez más opacas.

Las moléculas que forman cristales líquidos tienden a ser moléculas rígidas con grupos polares que exhiben interacciones dipolo inducidas por dipolo, dipolo o dipolo relativamente fuertes, enlaces de hidrógeno o alguna combinación de ambos. Algunos ejemplos de sustancias que forman cristales líquidos se enumeran en la Figura 11.8.2 junto con sus rangos de temperatura de transición de fase característicos. En la mayoría de los casos, las interacciones intermoleculares se deben a la presencia de grupos polares o polarizables. Los anillos aromáticos y los enlaces múltiples entre carbono y nitrógeno u oxígeno son especialmente comunes. Además, muchos cristales líquidos están compuestos por moléculas con dos mitades similares conectadas por una unidad que tiene un enlace múltiple.

Figura 11.8.2 Estructuras de moléculas típicas que forman cristales líquidos Pol ar o grupos polarizables se indican en azul.

Debido a sus estructuras anisotrópicas, los cristales líquidos presentan propiedades ópticas y eléctricas inusuales. Las fuerzas intermoleculares son bastante débiles y pueden ser perturbadas por un campo eléctrico aplicado. Debido a que las moléculas son polares, interactúan con un campo eléctrico, lo que hace que cambien ligeramente su orientación. Los cristales líquidos nemáticos, por ejemplo, tienden a ser relativamente translúcidos, pero muchos de ellos se vuelven opacos cuando se aplica un campo eléctrico y cambia la orientación molecular. Este comportamiento es ideal para producir imágenes oscuras sobre un fondo claro o opalescente, y se utiliza en las pantallas LCD en relojes digitales; calculadoras de mano; monitores de pantalla plana; e instrumentación de automóviles, barcos y aviones. Si bien cada aplicación difiere en los detalles de su construcción y operación, los principios básicos son similares, como se ilustra en la Figura 11.8.3.

Tenga en cuenta el patrón

Los cristales líquidos tienden a formarse a partir de moléculas largas y rígidas con grupos polares.

Figura 11.8.3 Dibujo esquemático de un dispositivo LCD, mostrando las diversas capas Aplicar un voltaje a segmentos seleccionados del dispositivo producirá cualquiera de los números. El dispositivo es un sándwich que contiene varias capas muy delgadas, que consiste en (de arriba a abajo) una lámina de polarizador para producir luz polarizada, un electrodo transparente, una capa delgada de una sustancia cristalina líquida, un segundo electrodo transparente, un segundo polarizador , y una pantalla. La aplicación de una tensión eléctrica al cristal líquido cambia ligeramente su orientación, lo que gira el plano de la luz polarizada y hace que el área parezca oscura.

Los cambios en la orientación molecular que dependen de la temperatura resultan en una alteración de la longitud de onda de la luz reflejada. Los cambios en la luz reflejada producen un cambio de color, el cual se puede personalizar mediante el uso de un solo tipo de material cristalino líquido o mezclas. Por lo tanto, es posible construir un termómetro de cristal líquido que indique la temperatura por color (Figura 11.8.4) y utilizar cristales líquidos en películas termosensibles para detectar fallas en las conexiones de la placa electrónica donde puede ocurrir un sobrecalentamiento.

Figura 11.8.4 Un Termómetro Fiebre Barato Que Utiliza Cristales Líquidos Cada sección contiene una muestra de cristal líquido con un rango cristalino líquido diferente. La sección cuyo rango cristalino líquido corresponde a la temperatura del cuerpo se vuelve translúcida (aquí se muestra en verde), indicando la temperatura.

También vemos el efecto de los cristales líquidos en la naturaleza. Los escarabajos verdes iridiscentes, conocidos como escarabajos joya, cambian de color debido a las propiedades reflectantes de la luz de las células que componen sus esqueletos externos, no por la absorción de luz de su pigmento. Las células forman hélices con una estructura como las que se encuentran en los cristales líquidos colestéricos. Cuando el paso de la hélice está cerca de la longitud de onda de la luz visible, las células reflejan la luz con longitudes de onda que conducen a colores metálicos brillantes. Debido a que se produce un cambio de color dependiendo del ángulo de visión de una persona, investigadores en Nueva Zelanda están estudiando a los escarabajos para desarrollar un material delgado que pueda ser utilizado como medida de seguridad monetaria. La industria automotriz también está interesada en explorar dichos materiales para su uso en pinturas que cambiarían de color en diferentes ángulos de visión.

Con solo la estructura molecular como guía, no se puede predecir con precisión cuál de las diversas fases cristalinas líquidas formará realmente un compuesto dado. Sin embargo, se pueden identificar moléculas que contienen los tipos de características estructurales que tienden a dar como resultado un comportamiento cristalino líquido, como se demuestra en el Ejemplo 11.

Ejemplo 11.8.1

¿Qué molécula es más probable que forme una fase cristalina líquida a medida que se enfría el líquido isotrópico?

1. isooctano (2,2,4-trimetilpentano)
2. tiocianato de amonio [NH ₄ (SCN)]
3. p-azoxianisol
   
4. decanoato de sodio {Na [CH ₃ (CH ₂) ₈ CO ₂]}

Dado: compuestos

Preguntado por: comportamiento cristalino líquido

Estrategia:

Determinar qué compuestos tienen una estructura rígida y contienen grupos polares. Aquellos que sí lo hacen probablemente exhiban comportamiento de cristal líquido.

Solución:

1. El isooctano no es largo y rígido y no contiene grupos polares, por lo que es poco probable que exhiba un comportamiento de cristal líquido.
2. El tiocianato de amonio es iónico, y los compuestos iónicos tienden a tener altos puntos de fusión, por lo que no debe formar una fase cristalina líquida. De hecho, los compuestos iónicos que forman cristales líquidos son muy raros de hecho.
3. p-Azoxianisol combina dos anillos de fenilo planos unidos a través de una unidad de unión múltiple, y contiene grupos polares. La combinación de una forma larga y rígida y grupos polares lo convierte en un candidato razonable para un cristal líquido.
4. El decanoato de sodio es la sal sódica de un ácido carboxílico de cadena lineal. La cadena n-alquílica es larga, pero es flexible en lugar de rígida, por lo que el compuesto probablemente no sea un cristal líquido.

Ejercicio

¿Qué compuesto es menos probable que forme una fase de cristal líquido?

Respuesta: b) Bifenilo; aunque es bastante largo y rígido, carece de sustituyentes polares.

Resumen

Muchas sustancias exhiben fases que tienen propiedades intermedias entre las de un sólido cristalino y un líquido normal. Estas sustancias, que poseen un orden molecular de largo alcance pero que siguen fluyendo como líquidos, se llaman cristales líquidos. Los cristales líquidos suelen ser moléculas largas y rígidas que pueden interactuar fuertemente entre sí; no tienen estructuras isotrópicas, que están completamente desordenadas, sino que tienen estructuras anisotrópicas, que exhiben diferentes propiedades cuando se ven desde diferentes direcciones. En la fase nemática, solo se alinean los ejes largos de las moléculas, mientras que en la fase esméctica, los ejes largos de las moléculas son paralelos y las moléculas están dispuestas en planos. En la fase colestérica, las moléculas están dispuestas en planos, pero cada capa se gira una cierta cantidad con respecto a las que están por encima y por debajo de ella, dando una estructura helicoidal.

Llave para llevar

• Los cristales líquidos tienden a consistir en moléculas rígidas con grupos polares, y sus estructuras anisotrópicas exhiben propiedades ópticas y eléctricas inusuales.

Problemas conceptuales

1. Describir las características estructurales comunes de las moléculas que forman cristales líquidos. ¿Qué tipo de interacciones intermoleculares tienen más probabilidades de dar como resultado una molécula de cadena larga que exhibe un comportamiento cristalino líquido? ¿Un campo eléctrico afecta estas interacciones?

2. ¿Cuál es la diferencia entre un líquido isotrópico y un líquido anisotrópico? ¿Cuál es más anisotropical, un cristal líquido colestérico o un cristal líquido nemático?

Colaboradores

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