Texto redactado en euskara e traducido automaticamente por Elia e sen posterior revisión. VER ORIXINAL

Cristais líquidos: cara a unha comprensión máis profunda da materia

Na natureza hai sustancias que teñen características entre sólidos e líquidos: cristais líquidos. Ademais de ser moi interesantes desde o punto de vista científico, tamén son claves na tecnoloxía actual. Recentemente descubriuse un novo tipo de cristal líquido que rompeu os esquemas dos científicos. É un asunto de longa historia, e a aventura de entender a súa física continúa.

---

Erkoreka Pérez, Aitor Martínez Perdiguero, Josu

---

---

EU ES FR

EN CA GA

---

Partekatu

Cales son os estados de agregación da materia? Si faise esta pregunta a un alumno de secundaria, probablemente a resposta sería: estado sólido, estado líquido e estado gaseoso. É posible que algún mozo intelixente saiba tamén o que son plásmalos. En realidade, si elévase a temperatura dunha sustancia, é posible quitarlle os electróns aos seus átomos e levalos a unha nova fase. Esta nova situación denomínase plasma e utilizámola na vida cotiá, como nos tubos fluorescentes. Con todo, existe outra situación especial que probablemente resultará totalmente descoñecida para o lector, aínda que estea presente nalgúns dispositivos cotiáns: o cristal líquido.

No caso máis sinxelo son sustancias formadas por moléculas en forma de varilla. Aínda que estes compostos son fluídos, as interaccións entre as moléculas provocan unha orientación paralela entre elas. Debido a esta orde adicional que non teñen os líquidos correntes, recibiron o nome de cristais líquidos [1]. Pero, para que se utilizan os cristais líquidos? Para facer pantallas planas, por exemplo. De feito, as moléculas destes materiais adoitan ser polares e, axudados pola súa fluidez, poden orientarse facilmente a través de campos eléctricos. Deste xeito, si colócanse entre dous polarizadores de luz, poden pasar ou bloquear a luz.

Máis aló das complexidades tecnolóxicas, os LCD (Liquid Crystal Display en inglés) funcionan basicamente desta maneira. A pesar de que nos últimos anos estendeuse moito a tecnoloxía CHEIRADE baseada en diodos orgánicos, a industria LCD aínda ten un peso considerable. Así mesmo, debido á utilidade que poden ter os cristais líquidos na fotónica [2], segue sendo un campo vivo de investigación.

figura 2. Varias estruturas que poden ser mostradas por cristais líquidos formados por moléculas en forma de varilla. Nos extremos atópanse os estados de cristal e líquido, as fases de maior e menor orde, respectivamente. Ed. Aitor Erkoreka e Josu Martínez-Perdiguero.

Desde o descubrimento do primeiro cristal líquido no século XIX, observáronse varias sub-fases nos compostos sintetizados ao longo dos anos, que se clasifican en función da estrutura que toman as moléculas. Os cristais líquidos nemáticos citados anteriormente (indícanse coa letra N) só teñen unha orde de orientación. Con todo, os cristais líquidos esmécticos (Sm) tamén teñen unha orde de posición. De feito, as moléculas, ademais de orientarse nunha dirección determinada, tenden a situarse en planos paralelos entre si, mantendo sempre certa fluidez. A principios do século XX, grandes físicos como Debye e Born propuxéronlle a existencia dunha nova fase [3, 4]: o cristal líquido nemático ferroeléctrico (NF). Aínda que as moléculas dos materiais nemáticos máis comúns son polares, toda a estrutura é apolar. É dicir, non todos os dipolos eléctricos (separación de cargas positivas e negativas) teñen que estar orientados no mesmo sentido, xa que as interaccións moleculares non distinguen os extremos das moléculas [5]. A fase nemática ferroeléctrica sería polar, é dicir, todos os dipolos estarían orientados cara a un determinado sentido. Tras este prognóstico teórico, transcorreron décadas, pero non se atopou material para mostrar esa fase. Os únicos cristais líquidos ferroeléctricos que se sintetizaron eran esmécticos, xa que a orde de posición das moleculas facilitaba a aparición de ferroelectricidad. A inspección estéril até entón fixera que os científicos chegasen á conclusión de que a fluidez (baixa orde de posición) e a ferroelectricidad son excluíntes entre si [6]. De feito, a axitación térmica sería capaz de destruír até a mínima ordenación de dipolos de longo alcance que se puidese producir no material. Seguindo esta afirmación, non era de estrañar que non se atopase ningún material deste tipo.

figura 3. Diferenza entre as fases _N e NF. Na primeira non hai orde polar, xa que os dipolos eléctricos teñen sentido aleatorio. No segundo, con todo, as interaccións moleculares fan que todos os dipolos estean orientados cara a un determinado sentido. Ed. Aitor Erkoreka e Josu Martínez-Perdiguero.

en 2017, con todo, algúns químicos sintetizaron algúns compostos curiosos [7, 8]. As moedas de devanditos materiais eran extremadamente polares, observando que ao baixar a temperatura producíase unha transición de fase nemático. No entanto, a fase nemática de baixa temperatura tiña un carácter non acorde. Un grupo de investigación analizou a estrutura dun destes cristais líquidos (RM734) [9]. Os investigadores propuxeron que o copopo RM734 leva unha fase nemática localmente polar. Nela aloxaríanse dominios polares de dirección alterna nos que as moleculas adoptarían unha estrutura extensa (splay structure en inglés), é dicir, as moléculas abriríanse radialmente desde unha orixe. Aínda que posteriormente se atopou que esta estrutura correspondía a unha fase intermedia _{entre as} fases N e NF, este estudo preliminar foi importante. En calquera caso, os científicos do Centro de Investigación de Materiais Brandos da Universidade de Colorado foron os primeiros en pousar a ferroelectricidad deste material en 2020, concretamente [10]. Segundo os estadounidenses, este cristal líquido mostra a fase NF _predicida por Born, que contén dominios polares macroscópicos. Estes resultados foron corroborados por tan só un dos grupos a nivel mundial e localizáronse varias moléculas que cumpren características similares. Podemos dicir, por tanto, que se atopou un novo estado da materia.

O reto que temos agora os científicos é comprender esta nova fase. Que características ten a fase _NF? Cales son os mecenismos moleculares que permiten a asimilación de dipolos? Nós mesmos, como investigadores do Departamento de Física do País Vasco, estamos a tentar responder a estas preguntas. Para iso, utilizamos métodos eléctricos. En concreto, mídese o que se coñece como permi-tibicidad dieléctrica, tanto en función da frecuencia da excitación eléctrica como da temperatura. Esta magnitude física, dalgunha maneira, cuantifica a influencia dun campo eléctrico externo sobre un determinado material. Aínda que esta variable é macroscópica, a análise axeitada dos datos permite estudar os procesos modais destes materiais. Na _fase NF medíronse, en concreto, os xigantescos valores da permitividad dieseltrica [11], aínda que a súa orixe é descoñecido. Con estas preguntas entenderemos mellor a natureza desta fase mixta. Ademais, o interese destes materiais non é só científico, senón tamén tecnolóxico. En realidade, os NF mate poden ser útiles para facer pantallas máis eficientes, novos dispositivos electro-ópticos, etc. En definitiva, hai que ter en conta que a característica principal destes compostos é a polaridad, é dicir, son moi sensibles aos campos eléctricos externos. Por tanto, non sería sorprendente que dentro duns anos todos levásemos un material NF nos nosos teléfonos móbiles.

Bibliografía

Aitor Erkoreka agradece ao Departamento de Educación do Goberno Vasco a subvención recibida a través do Programa Predoctoral de Formación de Investigadores Non Investigadores do Goberno Vasco.