Cristalls líquids: cap a una comprensió més profunda de la matèria
En la naturalesa hi ha substàncies que tenen característiques entre sòlids i líquids: cristalls líquids. A més de ser molt interessants des del punt de vista científic, també són claus en la tecnologia actual. Recentment s'ha descobert un nou tipus de cristall líquid que ha trencat els esquemes dels científics. És un assumpte de llarga història, i l'aventura d'entendre la seva física continua.
Quins són els estats d'agregació de la matèria? Si es fa aquesta pregunta a un alumne de secundària, probablement la resposta seria: estat sòlid, estat líquid i estat gasós. És possible que algun jove intel·ligent sàpiga també el que són els plasmes. En realitat, si s'eleva la temperatura d'una substància, és possible llevar-li els electrons als seus àtoms i portar-los a una nova fase. Aquesta nova situació es denomina plasma i la utilitzem en la vida quotidiana, com en els tubs fluorescents. No obstant això, existeix una altra situació especial que probablement resultarà totalment desconeguda per al lector, encara que sigui present en alguns dispositius quotidians: el cristall líquid.
En el cas més senzill són substàncies formades per molècules en forma de vareta. Encara que aquests compostos són fluids, les interaccions entre les molècules provoquen una orientació paral·lela entre elles. A causa d'aquest ordre addicional que no tenen els líquids corrents, van rebre el nom de cristalls líquids [1]. Però, per a què s'utilitzen els cristalls líquids? Per a fer pantalles planes, per exemple. De fet, les molècules d'aquests materials solen ser polars i, ajudats per la seva fluïdesa, poden orientar-se fàcilment a través de camps elèctrics. D'aquesta manera, si es col·loquen entre dos polaritzadors de llum, poden passar o bloquejar la llum.
Més enllà de les complexitats tecnològiques, els LCD (Liquid Crystal Display en anglès) funcionen bàsicament d'aquesta manera. A pesar que en els últims anys s'ha estès molt la tecnologia OLED basada en díodes orgànics, la indústria LCD encara té un pes considerable. Així mateix, a causa de la utilitat que poden tenir els cristalls líquids en la fotònica [2], continua sent un camp viu de recerca.
Des del descobriment del primer cristall líquid en el segle XIX, s'han observat diverses sub-fases en els compostos sintetitzats al llarg dels anys, que es classifiquen en funció de l'estructura que prenen les molècules. Els cristalls líquids nemáticos citats anteriorment (s'indiquen amb la lletra N) només tenen un ordre d'orientació. No obstant això, els cristalls líquids esmèctics (Sm) també tenen un ordre de posició. De fet, les molècules, a més d'orientar-se en una direcció determinada, tendeixen a situar-se en plans paral·lels entre si, mantenint sempre una certa fluïdesa. A principis del segle XX, grans físics com Debye i Born li van proposar l'existència d'una nova fase [3, 4]: el cristall líquid nemático ferroelèctric (NF). Encara que les molècules dels materials nemáticos més comuns són polars, tota l'estructura és apolar. És a dir, no tots els dipols elèctrics (separació de càrregues positives i negatives) han d'estar orientats en el mateix sentit, ja que les interaccions moleculars no distingeixen els extrems de les molècules [5]. La fase nemática ferroelèctrica seria polar, és a dir, tots els dipols estarien orientats cap a un determinat sentit. Després d'aquest pronòstic teòric, van transcórrer dècades, però no es va trobar material per a mostrar aquesta fase. Els únics cristalls líquids ferroelèctrics que es van sintetitzar eren esmèctics, ja que l'ordre de posició de les moleculas facilitava l'aparició de ferroelectricitat. La inspecció estèril fins llavors havia fet que els científics arribessin a la conclusió que la fluïdesa (baix ordre de posició) i la ferroelectricitat són excloents entre si [6]. De fet, l'agitació tèrmica seria capaç de destruir fins a la mínima ordenació de dipols de llarg abast que es pogués produir en el material. Seguint aquesta afirmació, no era d'estranyar que no es trobés cap material d'aquest tipus.
en 2017, no obstant això, alguns químics van sintetitzar alguns compostos curiosos [7, 8]. Les monedes d'aquests materials eren extremadament polars, observant que en baixar la temperatura es produïa una transició de fase nemático. No obstant això, la fase nemática de baixa temperatura tenia un caràcter no concorde. Un grup de recerca va analitzar l'estructura d'un d'aquests cristalls líquids (RM734) [9]. Els investigadors van proposar que el copopo RM734 porta una fase nemática localment polar. En ella s'allotjarien dominis polars de direcció alterna en els quals les moleculas adoptarien una estructura extensa (splay structure en anglès), és a dir, les molècules s'obririen radialment des d'un origen. Encara que posteriorment es va trobar que aquesta estructura corresponia a una fase intermèdia entre les fases N i NF, aquest estudi preliminar va ser important. En qualsevol cas, els científics del Centre de Recerca de Materials Tous de la Universitat de Colorado van ser els primers a posar la ferroelectricitat d'aquest material en 2020, concretament [10]. Segons els estatunidencs, aquest cristall líquid mostra la fase NF predicida per Born, que conté dominis polars macroscòpics. Aquests resultats han estat corroborats per tan sols un dels grups a nivell mundial i s'han localitzat diverses molècules que compleixen característiques similars. Podem dir, per tant, que s'ha trobat un nou estat de la matèria.
El repte que tenim ara els científics és comprendre aquesta nova fase. Quines característiques té la fase NF? Quins són els mecenismos moleculars que permeten l'assimilació de dipols? Nosaltres mateixos, com a investigadors del Departament de Física del País Basc, estem intentant respondre a aquestes preguntes. Per a això, utilitzem mètodes elèctrics. En concret, es mesura el que es coneix com permi-tibicidad dielèctrica, tant en funció de la freqüència de l'excitació elèctrica com de la temperatura. Aquesta magnitud física, d'alguna manera, quantifica la influència d'un camp elèctric extern sobre un determinat material. Encara que aquesta variable és macroscòpica, l'anàlisi adequada de les dades permet estudiar els processos modals d'aquests materials. En la fase NF s'han mesurat, en concret, els gegantescos valors de la permitividad dieseltrica [11], encara que el seu origen és desconegut. Amb aquestes preguntes entendrem millor la naturalesa d'aquesta fase mixta. A més, l'interès d'aquests materials no és només científic, sinó també tecnològic. En realitat, els NF mat poden ser útils per a fer pantalles més eficients, nous dispositius electro-òptics, etc. En definitiva, cal tenir en compte que la característica principal d'aquests compostos és la polaritat, és a dir, són molt sensibles als camps elèctrics externs. Per tant, no seria sorprenent que d'aquí a uns anys tots portéssim un material NF en els nostres telèfons mòbils.
Bibliografia
Aitor Erkoreka agraeix al Departament d'Educació del Govern Basc la subvenció rebuda a través del Programa Predoctoral de Formació d'Investigadors No Investigadors del Govern Basc.
Buletina
Bidali zure helbide elektronikoa eta jaso asteroko buletina zure sarrera-ontzian
Teknopolis
