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Cristales líquidos: hacia una comprensión más profunda de la materia

En la naturaleza hay sustancias que tienen características entre sólidos y líquidos: cristales líquidos. Además de ser muy interesantes desde el punto de vista científico, también son claves en la tecnología actual. Recientemente se ha descubierto un nuevo tipo de cristal líquido que ha roto los esquemas de los científicos. Es un asunto de larga historia, y la aventura de entender su física continúa.

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Erkoreka Pérez, Aitor Martínez Perdiguero, Josu

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¿Cuáles son los estados de agregación de la materia? Si se hace esta pregunta a un alumno de secundaria, probablemente la respuesta sería: estado sólido, estado líquido y estado gaseoso. Es posible que algún joven inteligente sepa también lo que son los plasmas. En realidad, si se eleva la temperatura de una sustancia, es posible quitarle los electrones a sus átomos y llevarlos a una nueva fase. Esta nueva situación se denomina plasma y la utilizamos en la vida cotidiana, como en los tubos fluorescentes. Sin embargo, existe otra situación especial que probablemente resultará totalmente desconocida para el lector, aunque esté presente en algunos dispositivos cotidianos: el cristal líquido.

En el caso más sencillo son sustancias formadas por moléculas en forma de varilla. Aunque estos compuestos son fluidos, las interacciones entre las moléculas provocan una orientación paralela entre ellas. Debido a este orden adicional que no tienen los líquidos corrientes, recibieron el nombre de cristales líquidos [1]. Pero, ¿para qué se utilizan los cristales líquidos? Para hacer pantallas planas, por ejemplo. De hecho, las moléculas de estos materiales suelen ser polares y, ayudados por su fluidez, pueden orientarse fácilmente a través de campos eléctricos. De este modo, si se colocan entre dos polarizadores de luz, pueden pasar o bloquear la luz.

Más allá de las complejidades tecnológicas, los LCD (Liquid Crystal Display en inglés) funcionan básicamente de esta manera. A pesar de que en los últimos años se ha extendido mucho la tecnología OLED basada en diodos orgánicos, la industria LCD todavía tiene un peso considerable. Asimismo, debido a la utilidad que pueden tener los cristales líquidos en la fotónica [2], sigue siendo un campo vivo de investigación.

figura 2. Varias estructuras que pueden ser mostradas por cristales líquidos formados por moléculas en forma de varilla. En los extremos se encuentran los estados de cristal y líquido, las fases de mayor y menor orden, respectivamente. Ed. Aitor Erkoreka y Josu Martínez-Perdiguero.

Desde el descubrimiento del primer cristal líquido en el siglo XIX, se han observado varias sub-fases en los compuestos sintetizados a lo largo de los años, que se clasifican en función de la estructura que toman las moléculas. Los cristales líquidos nemáticos citados anteriormente (se indican con la letra N) solo tienen un orden de orientación. Sin embargo, los cristales líquidos esmécticos (Sm) también tienen un orden de posición. De hecho, las moléculas, además de orientarse en una dirección determinada, tienden a situarse en planos paralelos entre sí, manteniendo siempre cierta fluidez. A principios del siglo XX, grandes físicos como Debye y Born le propusieron la existencia de una nueva fase [3, 4]: el cristal líquido nemático ferroeléctrico (NF). Aunque las moléculas de los materiales nemáticos más comunes son polares, toda la estructura es apolar. Es decir, no todos los dipolos eléctricos (separación de cargas positivas y negativas) tienen que estar orientados en el mismo sentido, ya que las interacciones moleculares no distinguen los extremos de las moléculas [5]. La fase nemática ferroeléctrica sería polar, es decir, todos los dipolos estarían orientados hacia un determinado sentido. Tras este pronóstico teórico, transcurrieron décadas, pero no se encontró material para mostrar esa fase. Los únicos cristales líquidos ferroeléctricos que se sintetizaron eran esmécticos, ya que el orden de posición de las mole­culas facilitaba la aparición de ferroelectricidad. La inspección estéril hasta entonces había hecho que los científicos llegaran a la conclusión de que la fluidez (bajo orden de posición) y la ferroelectricidad son excluyentes entre sí [6]. De hecho, la agitación térmica sería capaz de destruir hasta la mínima ordenación de dipolos de largo alcance que se pudiera producir en el material. Siguiendo esta afirmación, no era de extrañar que no se encontrara ningún material de este tipo.

figura 3. Diferencia entre las fases _N y NF. En la primera no hay orden polar, ya que los dipolos eléctricos tienen sentido aleatorio. En el segundo, sin embargo, las interacciones moleculares hacen que todos los dipolos estén orientados hacia un determinado sentido. Ed. Aitor Erkoreka y Josu Martínez-Perdiguero.

en 2017, sin embargo, algunos químicos sintetizaron algunos compuestos curiosos [7, 8]. Las monedas de dichos materiales eran extremadamente polares, observando que al bajar la temperatura se producía una transición de fase nemático. No obstante, la fase nemática de baja temperatura tenía un carácter no acorde. Un grupo de investigación analizó la estructura de uno de estos cristales líquidos (RM734) [9]. Los investigadores propusieron que el copo­po RM734 lleva una fase nemática localmente polar. En ella se alojarían dominios polares de dirección alterna en los que las mole­culas adoptarían una estructura extensa (splay structure en inglés), es decir, las moléculas se abrirían radialmente desde un origen. Aunque posteriormente se encontró que esta estructura correspondía a una fase intermedia _{entre las} fases N y NF, este estudio preliminar fue importante. En cualquier caso, los científicos del Centro de Investigación de Materiales Blandos de la Universidad de Colorado fueron los primeros en posar la ferroelectricidad de este mate­rial en 2020, concretamente [10]. Según los estadounidenses, este cristal líquido muestra la fase NF _predicida por Born, que contiene dominios polares ma­croscópicos. Estos resultados han sido corroborados por tan solo uno de los grupos a nivel mundial y se han localizado varias moléculas que cumplen características similares. Podemos decir, por tanto, que se ha encontrado un nuevo estado de la materia.

El reto que tenemos ahora los científicos es comprender esta nueva fase. ¿Qué características tiene la fase _NF? ¿Cuáles son los mecenismos moleculares que permiten la asimilación de dipolos? Nosotros mismos, como investigadores del Departamento de Física del País Vasco, estamos intentando responder a estas preguntas. Para ello, utilizamos métodos eléctricos. En concreto, se mide lo que se conoce como permi-tibicidad dieléctrica, tanto en función de la frecuencia de la excitación eléctrica como de la temperatura. Esta magnitud física, de alguna manera, cuantifica la influencia de un campo eléctrico externo sobre un determinado ma­terial. Aunque esta variable es macros­cópica, el análisis adecuado de los datos permite estudiar los procesos modales de estos materiales. En la _fase NF se han medido, en concreto, los gigantescos valores de la permitividad diesel­trica [11], aunque su origen es desconocido. Con estas preguntas entenderemos mejor la naturaleza de esta fase mixta. Además, el interés de estos materiales no es solo científico, sino también tecnológico. En realidad, los NF mate pueden ser útiles para hacer pantallas más eficientes, nuevos dispositivos electro-ópticos, etc. En definitiva, hay que tener en cuenta que la característica principal de estos compuestos es la pola­ridad, es decir, son muy sensibles a los campos eléctricos externos. Por lo tanto, no sería sorprendente que dentro de unos años todos lleváramos un material NF en nuestros teléfonos móviles.

Bibliografía

Aitor Erkoreka agradece al Departamento de Educación del Gobierno Vasco la subvención recibida a través del Programa Predoctoral de Formación de Investigadores No Investigadores del Gobierno Vasco.