El estudio de los cristales líquidos comenzó en 1888, cuando un botánico austriaco llamado Friedrich Reinitzer observado que un material conocido como benzoato de colesterilo tenía dos puntos de fusión distintos. En sus experimentos, Reinitzer aumentó la temperatura de una muestra sólida y observó el cambio de cristal en un líquido brumoso. A medida que aumenta la temperatura adicional, el material cambió de nuevo en un líquido claro, transparente. Debido a este primer trabajo, Reinitzer a menudo se atribuye el descubrimiento de una nueva fase de la materia - la fase de cristal líquido.
materiales de cristal líquido son únicas en sus propiedades y usos. A medida que la investigación en este campo continúa y como se desarrollan nuevas aplicaciones, cristales líquidos jugarán un papel importante en la tecnología moderna. Este tutorial proporciona una introducción a la ciencia y las aplicaciones de estos materiales.
¿Cuáles son los cristales líquidos?
Materiales de cristal líquido generalmente tienen varias características comunes. Entre estos son una estructura molecular en forma de varilla, rigidez del eje largo, y dipolos fuertes y / o fácilmente sustituyentes polarizables.
La característica distintiva del estado cristalino líquido es la tendencia de las moléculas (mesógenos) al punto a lo largo de un eje común, llamado el director. Esto está en contraste con las moléculas en la fase líquida, que no tienen orden intrínseco. En el estado sólido, las moléculas son altamente ordenado y tienen poca libertad de traslación. La orden de orientación característica del estado de cristal líquido es entre las fases sólidas y líquidas tradicionales y este es el origen del estado mesogénico plazo, que se utiliza como sinónimo de estado de cristal líquido. Tenga en cuenta la alineación media de las moléculas para cada fase en el siguiente diagrama.
A veces es difícil determinar si un material es en un cristal o estado de cristal líquido. Los materiales cristalinos demuestran la gama larga orden periódica en tres dimensiones. Por definición, un líquido isotrópico no tiene ninguna orden de orientación. Las sustancias que no son tan ordenados como un sólido, sin embargo, tienen cierto grado de alineación se llaman adecuadamente cristales líquidos.
Para cuantificar lo mucho orden está presente en un material, se define un parámetro de orden (S). Tradicionalmente, el parámetro de orden se da como sigue:
donde theta es el ángulo entre el director y el eje largo de cada molécula. Los corchetes indican una media de más de todas las moléculas de la muestra. En un líquido isotrópico, el promedio de los términos de coseno es cero, y por lo tanto el parámetro de orden es igual a cero. Para un cristal perfecto, el parámetro de orden evalúa a uno. Los valores típicos para el parámetro de orden de una gama de cristal líquido entre 0,3 y 0,9, con el valor exacto en función de la temperatura, como resultado del movimiento molecular cinética. Esto se ilustra a continuación para un material de cristal líquido nemático (que se discutirá en la siguiente sección).
La tendencia de las moléculas de cristal líquido para que apunte a lo largo del director conduce a una condición conocida como anisotropía. Este término significa que las propiedades de un material dependen de la dirección en la que se miden. Por ejemplo, es más fácil de cortar una pieza de madera a lo largo del grano de contra ella. La naturaleza anisotrópica de cristales líquidos es responsable de las propiedades ópticas únicas explotados por los científicos y los ingenieros en una variedad de aplicaciones.
Caracterización de los cristales líquidos
Los siguientes parámetros describen la estructura cristalina líquida:
- orden posicional
- orden de orientación
- Bond orientador Orden
Cada uno de estos parámetros se describe el grado en que se ordena la muestra de cristal líquido. Orden posicional se refiere al grado en el que una molécula de promedio o grupo de moléculas de muestra simetría de traslación (como demostraciones de material cristalino). Orden de orientación, como se discutió anteriormente, representa una medida de la tendencia de las moléculas para alinear a lo largo del director sobre una base de largo alcance. Bond orientador Orden describe una línea que une los centros de las moléculas del vecino más cercano sin necesidad de un espaciado regular a lo largo de esa línea. Por lo tanto, un orden relativamente de largo alcance con respecto a la línea de centros, pero sólo de corto alcance orden posicional a lo largo de esa línea. (Véase la discusión de las fases hexatic en un texto tal como Chandrasekhar, cristales líquidos)
La mayoría polimorfismo compuestos de cristal líquido de exposiciones, o una condición en la que se observa más de una fase en el estado cristalino líquido. El término mesofase se utiliza para describir los “subfases” de materiales de cristal líquido. Mesofases están formados por el cambio de la cantidad de orden en la muestra, ya sea por orden de imposición en sólo una o dos dimensiones, o permitiendo que las moléculas tienen un grado de movimiento de traslación. La siguiente sección describe las mesofases de los cristales líquidos en mayor detalle.
Fases de cristal líquido
El estado de cristal líquido es una fase distinta de la materia observada entre el cristalino (sólido) e isotrópico (líquido) estados. Hay muchos tipos de estados de cristal líquido, dependiendo de la cantidad de orden en el material. En esta sección se explicará el comportamiento de fase de materiales de cristal líquido.
Fases nemático
La fase de cristal líquido nemático se caracteriza por moléculas que no tienen orden posicional, pero tienden a apuntar en la misma dirección (a lo largo de la dirección). En el diagrama siguiente, observe que las moléculas apuntan verticalmente, pero están dispuestos sin orden particular.
Los cristales líquidos son materiales anisotrópicos, y las propiedades físicas del sistema varían con la alineación de la media con el director. Si la alineación es grande, el material es muy anisotrópico. Del mismo modo, si la alineación es pequeño, el material es casi isotrópica.
La transición de fase de un cristal líquido nemático se demuestra en la siguiente película proporcionada por el Dr. María Neubert, LCI-KSU. La fase nemática es visto como la textura de mármol. Mira como se eleva la temperatura del material, causando una transición al líquido negro, isotrópico.
Una clase especial de los cristales líquidos nemáticos se llama nemático quiral. Quiral se refiere a la capacidad única para reflejar selectivamente un componente de luz polarizada circularmente. El término nemático quiral se utiliza indistintamente con colestérica. Refiérase a la sección sobre cristales líquidos colestéricos para más información sobre este mesofase.
Fases esméctica
La palabra “esméctica” se deriva de la palabra griega para el jabón. Este origen aparentemente ambigua se explica por el hecho de que la sustancia espesa, resbaladizo a menudo se encuentran en la parte inferior de un plato de jabón es realmente un tipo de cristal líquido esméctico.
El estado esméctica es otro mesofase distinta de sustancias de cristal líquido. Las moléculas en esta fase muestran un grado de orden de traslación no presente en la nemático. En el estado esméctica, las moléculas mantienen el orden de orientación general de Nematics, pero también tienden a alinearse en capas o planos. Motion se limita a dentro de estos planos, y se observan planos separados para fluir más allá de la otra. El aumento de la orden significa que el estado esméctica es más “sólido-como” que el nemático.
Imagen de la fase esméctica Foto de la fase esméctica (usando microscopio de polarización)
se observan muchos compuestos para formar más de un tipo de fase esméctica. Tanto como el 12 de estas variaciones se han identificado, sin embargo se discuten aquí sólo las fases más distintas.
En el esméctica-A mesofase, el director es perpendicular al plano esméctica, y no hay un orden posicional particular, en la capa. Del mismo modo, la mesofase esméctica-B orienta con el director perpendicular al plano esméctica, pero las moléculas están dispuestas en una red de hexágonos dentro de la capa. En la mesofase esméctica-C, las moléculas están dispuestos como en el esméctica-A mesofase, pero el director está en un ángulo de inclinación constante medido normalmente al plano esméctica.
Como en el nemático, la mesofase esméctica-C tiene un estado designado quiral C *. En consonancia con la esméctica-C, el director hace un ángulo de inclinación con respecto a la capa esméctica. La diferencia es que este ángulo gira de capa a capa formando una hélice. En otras palabras, el director de la esméctica-C * mesofase no es paralelo o perpendicular a las capas, y se gira de una capa a la siguiente. Note el giro del director, representado por las flechas verdes, en cada capa en el siguiente diagrama.
En algunos mesofases esmécticas, las moléculas se ven afectados por las diversas capas por encima y por debajo de ellos. Por lo tanto, se observa una pequeña cantidad de tres orden dimensional. Esméctica-G es un ejemplo que demuestra este tipo de disposición.
Fases colestéricas
El colestérica (o quiral nemático) fase de cristal líquido se compone típicamente de moléculas mesógenos nemáticos que contienen un centro quiral que produce fuerzas intermoleculares que favorecen la alineación entre las moléculas en un ligero ángulo entre sí. Esto conduce a la formación de una estructura que puede visualizarse como una pila de capas nemáticos-como 2-D muy delgadas con el director en cada capa torcido con respecto a los de arriba y abajo. En esta estructura, los directores de hecho se forman en un patrón helicoidal continua sobre la capa normal como se ilustra por la flecha negro en la siguiente figura y la animación. La flecha negro en la animación representa orientación director en la sucesión de capas a lo largo de la pila.
Las moléculas que se muestran son meramente representaciones de las muchas mesógenos nemático quiral que yacen en las losas de espesor infinitesimal con una distribución de la orientación alrededor del director. Esto no se debe confundirse con la disposición planar encontrado en mesofases esmécticas.
Una característica importante de la mesofase colestérica es el terreno de juego. El tono, p, se define como la distancia que se necesita para el director para girar una vuelta completa en la hélice como se ilustra en la animación de arriba. Un subproducto de la estructura helicoidal de la fase nemática quiral, es su capacidad para reflejar selectivamente luz de longitudes de onda igual a la longitud de paso, de modo que un color se reflejará cuando el paso es igual a la longitud de onda correspondiente de la luz en el espectro visible. El efecto se basa en la dependencia de la temperatura del cambio gradual en la orientación director entre capas sucesivas (ilustrada más arriba), que modifica la longitud de paso que resulta en una alteración de la longitud de onda de la luz reflejada de acuerdo con la temperatura. El ángulo en el que los cambios de dirección se puede hacer más grande, y por lo tanto apretar el terreno de juego, mediante el aumento de la temperatura de las moléculas, por lo tanto, dándoles más energía térmica. Del mismo modo, la disminución de la temperatura de las moléculas aumenta la longitud de paso del cristal líquido nemático quiral. Esto hace posible la construcción de un termómetro de cristal líquido que muestra la temperatura de su entorno por el color reflejado. Mezclas de diferentes tipos de estos cristales líquidos se utilizan a menudo para crear sensores con una amplia variedad de respuestas a cambios de temperatura. Tales sensores se utilizan para los termómetros a menudo en la forma de películas sensibles al calor para detectar defectos en las conexiones de placa de circuito, los patrones de flujo de fluido, condición de baterías, la presencia de radiación, o en novedades como anillos “estado de ánimo”.
En la fabricación de películas, ya que poner cristales líquidos nemáticos quirales directamente sobre un fondo negro conduciría a la degradación y tal vez la contaminación, los cristales son micro-encapsulado en partículas de dimensiones muy pequeñas. Las partículas se trataron a continuación con un material de unión que se contraerá después del curado con el fin de aplanar las microcápsulas y producir la mejor alineación para colores más brillantes. Una aplicación de una clase de cristales líquidos nemáticos quirales que son menos sensibles a la temperatura es crear materiales tales como ropa, muñecas, tintas y pinturas.
La longitud de onda de la luz reflejada también se puede controlar mediante el ajuste de la composición química, puesto que cholesterics pueden consistir o bien en moléculas exclusivamente quirales o de moléculas nemáticos con un dopante quiral dispersado por todo. En este caso, la concentración de dopante se utiliza para ajustar la quiralidad y por lo tanto el terreno de juego.
Fases columnares
cristales líquidos columnares son diferentes de los tipos anteriores debido a que tienen la forma de discos en vez de varillas largas. Este mesofase se caracteriza por columnas apiladas de moléculas. Las columnas se embalan juntos para formar una matriz cristalina bidimensional. La disposición de las moléculas dentro de las columnas y la disposición de las columnas sí mismos conduce a nuevas mesofases.
Hora de publicación: Sep-21-2018