Los cristales líquidos y sus propiedades desbordantes

No se trata de materiales estructurales, sino de materiales funcionales, y su utilidad reside no tanto en sus propiedades mecánicas, como en sus propiedades químicas, magnéticas, ópticas o electrónicas. Uno de estos materiales especiales son los denominados cristales líquidos que existen tanto como compuestos de bajo peso molecular, y también como polímeros y elastómeros. El presente artículo pretende describir esta clase de sustancias, y sus propiedades y aplicaciones más interesantes.

Cristales líquidos de bajo peso molecular
La gran mayoría de los compuestos de nuestra vida cotidiana existe en tres estados, como gas, líquido o cristal. En el estado cristalino las moléculas que constituyen el material están altamente ordenadas y las propiedades físicas son anisótropas (griego: tropos= dirección, iso= igual, aniso= desigual), o sea diferentes en las tres dimensiones del espacio. Al subir la temperatura la energía térmica de las moléculas aumenta, el cristal funde y se obtiene un líquido en el que las moléculas ya no están ordenadas y las propiedades físicas del material son isótropas, o sea, idénticas, independientes de la dirección en la que se mida.

Por otro lado existen sustancias, donde la fusión del sólido cristalino a líquido no ocurre de golpe sino en dos o más pasos. En 1888, el botánico Reinitzer fue el primero que descubrió este fenómeno cuando observó que el benzoato de colesterol, al calentarlo se fundió a 145,5 °C, pero quedó opaco. Solo a 178.5ºC se volvió completamente transparente. Entre 145,5 °C y 178,5 °C la muestra tenía las propiedades viscosas de los líquidos y adicionalmente las propiedades refractantes que son típicas para los cristales. Por esta razón se llamó las sustancias que pueden formar este tipo de mesofases (griego: fase intermedia) cristales líquidos. Y como esta clase de cristales-líquidos se observa en función de la temperatura se habla de cristales-líquidos termótropos.  La segunda familia dentro de los cristales líquidos se llaman cristales líquidos liótropos. En este caso se generan mesofases por mezclar moléculas mesógenos con un disolvente. Las diferentes mesofases se producen entonces por variación de la composición de la mezcla.

Para que un compuesto pueda existir en un estado cristal líquido sus moléculas tienen que tener una estructura anisométrica, o sea deben tener una forma no esférica, como pueden ser varillas o discos. Estas piezas elementales, como son las responsables para la formación de una mesofase se llaman mesógenos (griego: formador de mesofase). Normalmente se trata de varillas rígidas. Para construir químicamente una molécula con una forma de una varilla se conecta dos grupos voluminosos como por ejemplo grupos fenilo, bifenilo o ciclohexilo a través de un grupo lineal e inflexible como son los grupos éster, amida, azo, C=C doble o C≡C triple enlaces, etc. (esquema 1)

Según el tipo de la parte rígida y los restos R de la molécula y las interacciones que son posibles entre los mesógenos se pueden formar fases cristales líquidos diferentes. Principalmente se distinguen dos tipos de mesofase: la fase nemática y la fase esméctica.

Mientras un cristal se caracteriza por un orden tridimensional con respecto a la posición y orientación de las moléculas en la fase nemática las moléculas solo están ordenadas con respecto a su orientación. Por otro lado, en una fase esméctica existe, a parte del orden orientativo además un orden posicional en una o dos dimensiones. De esta manera se forman capas en las que los mesógenos están orientados. Las interacciones entre capas diferentes son débiles lo cual permite cierta movilidad y provoca así una viscosidad relativamente baja de la fase. Según la orientación y posición de las moléculas en las capas se puede distinguir además diferentes tipos de fases esmécticas. Si los mesógenos están posicionados perpendicular y estadísticamente en las capas se habla de una fase esméctica A, si los mesógenos se encuentran perpendicularmente a las capas pero con un orden hexagonal entre ellos, se trata de una fase esméctica B. Las moléculas también pueden estar inclinadas dentro de las capas. En estos casos se habla de una fase esméctica C y E, respectivamente (esquema 2).

Un aspecto muy importante de los cristales líquidos es su posible orientación en campos magnéticos o eléctricos. En el esquema 2 se ha visto que los mesógenos en una fase nemática se suelen orientar paralelamente. Sin embargo, sin tratamiento esta orientación preferida no se extiende sobre toda la muestra sino solo en pequeñas regiones denominadas dominios. 
Esto significa que, macroscópicamente se observa un sistema no ordenado. El tamaño de estos dominios corresponde a la longitud de onda de la luz y a causa de estas interacciones una muestra de un compuesto cristal líquido está opaco. Sin embargo, si se aplica un campo eléctrico o magnético se puede aprovechar la anisotropía de la susceptibilidad magnética o eléctrica y todos los dominios se orientan en la misma dirección, se obtiene una orientación macroscópica y la muestra se vuelve transparente (esquema 3).

Esto significa que Los cristales líquidos pueden permitir el paso de la luz o pueden bloquearla inducidos por la acción de un campo externo. Este descubrimiento ha hecho posible el salto de ordenadores de sobremesa a ordenadores portátiles ya que gracias a la incorporación de pantallas planas se pudieran sustituir al voluminoso tubo de rayos catódicos. Estas pantallas presentan la aplicación principal de los cristales líquidos de bajo peso molecular. Otras aplicaciones se encuentran en calculadoras, teléfonos móviles, paneles electrónicos y otros dispositivos.

Polímeros y elastómeros cristales líquidos
Polímeros cristales líquidos reúnen en sí las propiedades típicas de los polímeros con las de los cristales líquidos. También en este caso se requiere la presencia de mesógenos para la formación de la mesofase. Según el lugar donde se encuentran estos mesógenos se puede distinguir polímeros cristales líquidos de cadena principal y polímeros cristales líquidos de cadena lateral (esquema 4).

Los polímeros cristales líquidos de cadena principal se obtienen a través de reacciones de policondensación o poliadición. El ejemplo más conocido de un material de esta clase es el Kevlar, una poliamida formada por fenilendiamina y ácido tereftálico. Se trata de una poliamida aromática de alta estabilidad térmica que es utilizada en tecnologías avanzadas. El Kevlar es un compuesto prácticamente insoluble en disolventes orgánicos convencionales. Sin embargo, puede ser disuelto en ácido sulfúrico con el que forma fases cristales líquidos liótropos y puede ser procesado como fibra orientada y con un módulo extremadamente alto (esquema 5). Sus campos de aplicación incluyen aplicaciones aeroespaciales como materiales estructurales y recubrimientos de alta estabilidad térmica, recubrimientos en aplicaciones eléctricas y electrónicas, materiales para aplicaciones en centrales nucleares y muchas más.

Los polímeros cristales líquidos de cadena lateral se sintetiza con mesógenos que contienen un grupo polimerizable como el metacrílico o vinílico. Esencial para la formación de una mesofase en estos sistemas es la introducción de un espaciador entre el mesogeno y el grupo que polimeriza (esquema 6) Sin el espaciador el mesógeno no sería lo suficientemente flexible para ordenarse y orientarse libremente. Los espaciadores suelen ser grupos alquilos o alcoxilos y independizan los movimientos de la cadena y de los mesógenos.

El entrecruzamiento de polímeros cristales líquidos finalmente, conduce a la familia de los elastómeros cristales líquidos. Lo más interesante de estos materiales es el hecho de que aquí se reúnen las propiedades de los cristales líquidos con las propiedades elásticas de un caucho. Los elastómeros cristales líquidos tienen propiedades ópticas muy interesantes debido a la posible orientación macroscópica de los mesógenos por deformación elástica.

Análogamente a los cristales líquidos de bajo peso molecular, en el material sin tratamiento los mesógenos están ordenados solo en regiones pequeñas y las muestras tienen un aspecto opaco. Sin embargo, por deformación elástica a temperaturas ligeramente por debajo del punto de isotropización y según tipo de mesofase uniaxial o biaxial se puede conseguir que todos los mesógenos se orienten de la misma forma. Esta orientación que puede ser de tipo homeótropa o homogénea se puede congelar al bajar la temperatura por debajo de la temperatura de vidrio del sistema o irreversiblemente por vía química. De esta manera, se obtienen filmes transparentes con propiedades ópticas muy interesantes que se han empleado en la óptica no-lineal.