¿Qué son los cristales líquidos?

Seguramente todos hemos oído hablar de las pantallas LCD, nos las podemos encontrar en un reloj o en una nuevos-materiales-plasticoscalculadora, así como en las pantallas planas de televisión o móviles. Pero ¿qué significan estas siglas? y ¿qué materiales hay detrás?... Los materiales que se encuentran detrás son los cristales líquidos y las siglas LDC se refieren a los dispositivos electrónicos que los contienen: “Liquid Cristal Display”. Dentro de este display, los cristales líquidos se colocan de forma alineada entre dos electrodos transparentes y dos filtros de polarización.

Pero, si algo es cristalino, ¿cómo puede ser a la vez líquido? Así se define un nuevo estado. Todo comenzó en 1888, cuando el botánico austríaco Friedrich Reinitzer, durante unas investigaciones en las que observó al microscopio el benzoato de colesterol, vio que al llegar a 145ºC el compuesto no pasaba directamente de un sólido a un líquido más transparente, sino que lo hacía a un fluido turbio. Sin embargo, al aumentar la temperatura hasta 178ºC, sí se conseguía un líquido más transparente. El benzoato de colesterol no tenía un punto de fusión, sino dos. Al año siguiente, el físico alemán Otto Lehman descubrió que, en este estado turbio, las moléculas presentan un cierto orden cristalino y así los denominó cristales líquidos, como se conocen actualmente a este tipo de moléculas.

Por tanto, la definición de un cristal líquido describe el orden molecular que tiene un compuesto, intermedio entre el sólido cristalino ordenado y un líquido desordenado. Las características fundamentales de estas fases combinan la anisotropía propia del estado sólido y la movilidad y fluidez del estado líquido. Las ordenaciones moleculares de este tipo se llaman mesomorfas y bajo un microscopio de luz polarizada presentan texturas tan llamativas como las que se pueden ver en la foto.

Se pueden encontrar cristales líquidos de dos tipos principales en función de cómo se genere la mesofase. En los cristales líquidos termótropos, se genera por efecto de la temperatura y en los cristales líquidos liótropos, la mesofase se genera por efecto de un disolvente. Los que presentan ambos tipos de comportamientos se denominan anfótropos.
Como se ha mencionado antes, los cristales líquidos son materiales anisótropos ya que las propiedades físicas del sistema varían de acuerdo con la orientación. Hay cristales líquidos formados por moléculas con forma de varilla (cristales líquidos calamíticos) y otros con forma de disco (cristales líquidos discóticos o columnares). Estos dos son los tipos principales de moléculas que dan lugar a la aparición del estado de cristal líquido por efecto de la temperatura. nuevos-materiales-plasticos

¿Y los polímeros, también pueden ser cristales líquidos?

Un ejemplo de cristales líquidos poliméricos (LCP) son algunas poliamidas, cuyo ejemplo más conocidos es el Kevlar. Este material se basa en la obtención de fibras de poliamida en ácido sulfúrico cuando se ha formado una fase cristal líquido de tipo liótropo. Gracias a la orientación y organización que tienen estas fibras, se obtienen las excelentes propiedades que tiene como textil.

En cuanto a los polímeros cristal líquido termótropos, un ejemplo muy común es el Vectran, que es un copoliéster aromático producido por la policondensación de ácido 4-hidroxibenzoico y 6-hidroxinaftaleno 2-carboxílico. Este polímero se usa en artículos deportivos como raquetas, sedales, alpinismo... etc.

La orientación de los monómeros de cristal líquido hace que las piezas plásticas obtenidas a partir de estos monómeros tengan unas dimensiones estables y precisas, con alta rigidez y una resistencia química muy buena. Aunque los LCP tienen ventajas únicas, también presentan algunas desventajas. Así, la naturaleza anisotrópica del material causa debilidad en las líneas de unión o soldadura donde el material se encuentra en diferentes orientaciones moleculares.

¿Y son sólo sintéticos? En la naturaleza, en concreto en los sistemas biológicos, también encontramos ejemplos de organizaciones de tipo cristal líquido, uno de los ejemplos mejor conocidos son los fosfolípidos que son el principal componente de las membranas celulares. Esta similitud con los sistemas biológicos se ha trasladado al campo de los productos cosméticos. Gracias a los cristales líquidos, se obtienen esferas huecas donde la superficie está formadas por los fosfolípidos u otros derivados lipídicos y en su interior se pueden almacenar principios activos que se liberarán poco a poco.

Otras aplicaciones. Otra aplicación también muy conocida es la de la utilización de los cristales líquidos en ventanas para volverlas transparentes u opacas según demanda accionando un interruptor. La presión del interruptor induce un campo eléctrico que permite que las moléculas pasen de un estado ordenado a alinearse en paralelo al campo y por tanto se crea una distorsión de la luz, que hace que el dispositivo pierda transparencia. Si se colocan filtros se pueden generar diferentes colores como rojo, verde o azul.

Pero si existen desde hace tiempo ¿que hay de nuevo?

Si bien es cierto que, de las posibles aplicaciones, sin duda la más conocida es la de pantallas, en los últimos años, le ha surgido un nuevo competidor que es el dispositivo OLED (diodo orgánico de emisión de luz) que permite obtener colores más llamativos y posee una mayor ligereza, sin embargo, también se degradan con mayor rapidez y son más complejas de fabricar.

Ante el amplio abanico de aplicaciones, se continúa investigando en estos materiales. Este mismo año, la Universidad de Wisconsin-Madison, ha publicado un artículo en Nature donde describen la capacidad que tienen los cristales líquidos para autorregular la liberación de fármacos de manera precisa y en dosis repetitivas. Dentro de un film hecho de cristales líquidos, se pueden almacenar gotas microscópicas que contienen agentes activos. Estos agentes tras ser colocados en su interior y entrando en contacto con un estímulo, pueden ser expulsados. En concreto, el profesor Nick Abbot ha explicado cómo las bacterias son capaces de colocarse sobre la superficie del film y gracias al movimiento de los flagelos transmitir un estrés sobre la superficie que produce finalmente la liberación.

El cristal líquido, por tanto, es un tipo especial de estado de agregación de la materia cuyos materiales tienen múltiples aplicaciones, muchas de ellas ya explotadas, aunque otras tienen aún un gran camino por recorrer.

María José Clemente Oteo - investigadora del departamento de Síntesis de AIMPLAS

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