La tecnologia LCD compleix 40 anys: una història tan desconeguda com curiosa

2013/11/01 Aranberri Askargorta, Ibon - Kimikan doktorea Hull-eko Unibertsitatean Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Teknologia
• Kimika

La molècula 5CB necessària per al desenvolupament dels LCD compleix aquest any 40 anys. El descobriment es deu a l'escocès George Gray i als seus dos companys de la Universitat d'Hull. Estem envoltats de rellotges, calculadores i televisions equipades amb pantalles LCD ( liquid crystal display ), una molècula que ha influït més en la nostra societat que qualsevol descobriment desenvolupat pels Premis Nobel dels últims 40 anys. Gràcies a aquesta molècula, aquest article es pot llegir en una tauleta, telèfon o monitor i una molècula s'ha convertit en un negoci mil·lenari. Segons la llista Eureka UK, és un dels 100 descobriments més importants del Regne Unit que han canviat el món.

Cristalls líquids

Sobre els cristalls líquids s'han publicat diversos articles en basc (A. Santamaría, Elhuyar , 1989; M. Iriarte, Berria, 2009). En resum, el cristall líquid és un estat físic entre l'estat sòlid i el líquid. Té la capacitat de fluir com un líquid, i és capaç de mantenir l'ordre, en l'un o l'altre pla, quan la temperatura augmenta de l'estat sòlid al líquid. En estat sòlid, totes les molècules estan compactes en una estructura tridimensional i no es mouen fins a aconseguir una temperatura determinada. Llavors, les molècules estan més lliures i comencen a moure's. El sistema es col·lapsa i el sòlid es transforma en líquid barrejat. No obstant això, com la forma dels cristalls és "en forma de bastó", si s'escalfen, aquests sofreixen un moviment de rotació; malgrat perdre l'ordre dels cristalls, tots romanen paral·lels i presenten característiques pròpies entre sòlid i líquid. Per tant, encara que el nom fa pensar el contrari, no són ni líquids ni sòlids.

Friedrich Reinitzer, txec, va descobrir per primera vegada els cristalls líquids en 1888. Quan investigava el benzoato de colesterol, va descobrir que tenia dues temperatures de fusió. El colesterol sòlid extret de la pastanaga es transformava en líquid blanc a 145,5 °C i líquid totalment transparent a 178,5 °C. Al cap d'un any, Otto Lehmann s'adona que es troba davant un nou estat dels materials entre sòlids i líquids, i en mostrar unes característiques tant de líquids com de sòlids, se'n diu cristall líquid. No obstant això, fins a l'any 1911 no es va estudiar bé la seva estructura i característiques, i a pesar que durant les següents cinc dècades es va investigar en nombroses universitats europees, no es van trobar aplicacions clares per a aquest compost.

Descobriment de cianobifeniles

Una d'elles era la Universitat d'Hull, dedicada a la recerca de cristalls líquids. En 1947 George Gray va anar a realitzar la seva tesi a Hull, on va estudiar cristalls líquids durant més de 40 anys. Gray i el seu petit grup van triomfar amb la síntesi d'una molècula, la 4-ciano-4´-pentildifenil (5CB). Prèviament es van sintetitzar altres compostos (carbonats èster, estilbenos, etc.) i es van provar en pantalles, però no van tenir èxit. Sovint, per a obtenir noves molècules, s'afegeixen nous grups a molècules conegudes. En aquest cas, es va decidir eliminar els grups funcionals de les molècules inicials, és a dir, simplificar les molècules. A diferència d'altres molècules similars utilitzades en LCD fins a 1972, la molècula 5CB era estable entre 22 i 35 °C. Això era imprescindible per a poder utilitzar-ho a temperatura ambient. És evident, no obstant això, que el rang de temperatura de 22-35 °C no és suficient per a utilitzar els LCD en la majoria de les aplicacions, per la qual cosa la molècula 5CB va ser barrejada amb altres molècules per a obtenir la molècula E7. Aquesta molècula podia utilitzar-se en intervals de temperatura molt majors. La troballa de 5CB i E7 va ser publicat en 1973 en un article que s'ha convertit en un clàssic. La demanda d'aquesta molècula va ser enorme i el Grup de Cristalls Líquids d'Hull no va ser capaç de respondre a aquesta demanda. Així, l'empresa BDH amb la qual col·laborava, Merck en l'actualitat, va obtenir el contracte de venda d'aquesta molècula.

Igual que en molts altres descobriments, el camí fins a arribar a la síntesi d'aquesta molècula va ser dur, sobretot per l'escàs finançament d'aquest camp de cristalls líquids sense aparents aplicacions clares. I perquè la recerca sobre els cristalls líquids fora d'un tema curiós i poc important, i arribés a aquesta ubiqüitat que té avui, va haver-hi dues claus: la necessitat de fer nous tipus de pantalles i les sospites d'un estrany ministre britànic de l'època.

El ministre de Tecnologia, John Stonehouse, volia desenvolupar una nova tecnologia per a construir pantalles planes de colors que substituïssin a les televisions amb tubs de raigs catòdics de llavors (CRT en anglès). En una ocasió, el director del Radar Research Establishment (RRE) va reconèixer que la quantitat que el Regne Unit estava pagant als EUA pels royalties d'aquesta mena de televisió era superior a la que estava invertint en el desenvolupament del Concerto. L'endemà de la seva audiència, a primera hora del matí, sense perdre temps, el ministre va posar en marxa un nou programa de substitució del CRT. Per tant, en 1968 es va posar en marxa un grup de militars i científics per a desenvolupar aquestes noves pantalles planes al més aviat possible. Aquest grup va proposar tecnologies i àrees de recerca com la tecnologia dels cristalls líquids.

En la primera reunió celebrada per l'equip de Cristalls Líquids es van reunir 27 experts del Regne Unit, així com diversos generals i almiralls. Després de diversos debats, el prestigiós físic Cyril Hilsum va preguntar als seus companys sobre els cristalls líquids: Per què produïa la llum, després de travessar una mostra de cristalls líquids, aquella peculiar estructura que veien en el projector? Ningú sabia respondre i, després d'un llarg i vergonyós silenci, una veu va respondre des de les últimes cadires de classe: "Pot ser que jo ajudi". No fa falta dir que aquesta veu era de George Gray i, res més sortir d'aquella reunió, va obtenir un contracte per a desenvolupar un cristall líquid estable a temperatura ambient.

Gray va escriure el primer llibre de text en anglès sobre cristalls líquids, però no era molt popular entre els químics de l'època. Així, es van desenvolupar nous cristalls líquids, que van ser patentats i publicats en 1973. Passat un any, ja estaven en el mercat les primeres pantalles LCD amb 5CB, i en els pròxims anys Gray va sintetitzar la molècula formant part de més del 90% dels rellotges digitals, calculadores i despertadors amb LCD de tot el món.

Les prediccions del ministre Stonehouse van ser fonamentals en la predicció de la importància dels cristalls líquids, però la seva posterior vida personal i els negocis es van anar a baix. Com als LCD es comercialitzen per primera vegada, les seves robes van aparèixer en una platja de Florida, però no es van trobar restes del cadàver. Va falsificar la seva mort i va viatjar amb el seu amant a Austràlia. Allí es va barrejar amb l'aristòcrata assassino Lord Lucan i va ser detingut. A més, es va conèixer que durant més de deu anys des de 1960, en l'inici de la tecnologia LCD, va treballar com a espia de govern a Txecoslovàquia.

Universitat i patents d'Hull

Gray va aconseguir els cristalls líquids més importants en Hull, però ni el químic ni la universitat es van enriquir en absolut. Què va passar amb tots els diners obtinguts per patents en el moment de la comercialització dels LCD? El finançament del projecte va sortir del Ministeri de Defensa, que va rebre bona part per a pagar els royalties sobre les televisions amb tubs de raigs catòdics. Al mateix temps, la Universitat d'Hull, igual que altres universitats, no pensava que la patent i la propietat intel·lectual li corresponien, i va dedicar només una mica de diners a l'equip de recerca de Gray perquè el Ministeri de Defensa continués finançant l'equip de recerca de cristalls líquids fins que s'esgotés el termini de patents. En aquella època, els LCD van ser patentats per l'empresa suïssa Hoffman-LaRoche, i els beneficis més destacats obtinguts per la Universitat d'Hull van ser els articles publicats i el reconeixement internacional. Per què la Universitat d'Hull no va patentar aquesta nova molècula, va donar suport al seu descobriment i la va convertir en la universitat més rica del món? Més ric que Harvard, Oxford o qualsevol altre? Aquesta pregunta continua viva, sobretot perquè moltes universitats actuals, com la Universitat del País Basc, estan patentant productes i compten amb una oficina per a això.

La complexitat d'aquestes qüestions fa necessari tenir en compte algunes consideracions:

· La majoria dels descobriments realitzats per les universitats es realitzen amb finançament públic, és a dir, amb diners dels contribuents, i no ens resultaria fàcil entendre-ho si tot això acabés en les butxaques de les empreses privades.

· Les universitats preferirien que les recerques dels seus investigadors tinguessin una aplicació directa i es comercialitzessin. D'aquesta manera, el que ells fan tindria un major reconeixement social.

· Les universitats busquen incentivar als seus companys perquè participin en grans descobriments.

· Les empreses busquen sovint treballar amb les universitats perquè els ajudin a desenvolupar els seus productes finançant molts projectes.

Tots aquests interessos són sovint contradictoris i no són fàcilment canalitzables. Tal vegada, a l'hora de protegir la molècula E7, no sols això, sinó altres coses que no s'han comptat. Així doncs, en aquesta història els britànics són els que més crítiques fan. El descobriment de Gray podria deixar milers de milions de beneficis al Regne Unit, per exemple si l'empresa alemanya Merck (BDH de llavors) no hagués comprat per 60 milions de lliures. A pesar que semblava increïble en el negoci dels LCD, no hi havia cap empresa a Regne Unit ni a Europa dedicada a la fabricació de pantalles. No obstant això, Gray no es va quedar molt preocupat i, encara que no va ser a Europa, l'explotació de la troballa al Japó i Extrem Orient va ser molt satisfactòria. Per a Gray, el seu descobriment va tenir tres conseqüències principals:

· Llançament de nous cianobifeniles.

· Continuar amb el finançament de l'equip investigador per part del Ministeri de Defensa.

· Passar de tres al grup d'Hull a més de 20. A més, com van mantenir investigadors d'alt nivell com John Goodby i Stephen Kelly, els que vaig conèixer en Hull, l'equip de Cristalls Líquids d'Hull continua sent un dels grups més importants del món. Goodby ha publicat més de 400 articles i Kelly és un dels tres químics que han sintetitzat més de 3.000 cristalls líquids diferents (posseeix 75 patents).

George Gray va guanyar nombrosos premis al llarg de la seva vida, entre els quals destaquen: En 1979, Queen´s Award, rebut en matèria tecnològica, i sens dubte el més important, el Premi Kyoto de 1995, equivalent japonès als Premis Nobel, atorgat per la Fundació Inamori. En la seva intervenció en l'acte va reflexionar sobre la recerca realitzada al llarg de la seva vida:

· L'èxit i la ràpida comercialització es deu al desenvolupament d'aquesta mena de materials en un moment donat. Dos anys abans no serien necessaris i dos anys després altres investigadors proposarien nous materials.

· La síntesi d'aquests cianobifeniles va tenir lloc en 1972, i es venien poc més d'un any després. Quin rècord! I aquest rècord no hauria estat possible sense l'estreta col·laboració entre la universitat i l'empresa BDH Ltd.

· Per a aconseguir els assoliments en aquest nivell, a més del dur dia a dia, és imprescindible la formació i educació prèvia. A més, es requereix una mica de sort i no cal allunyar-se de les oportunitats.

La història dels LCD és una història de treball dur en la qual les desesperacions van ser múltiples, però sobretot ha estat fruit de la competència i col·laboració entre Europa, els EUA i el Japó. Cada zona industrial ha contribuït de manera diferent i amb saviesa: els Estats Units va posar sobre la taula les idees i la viabilitat de la tecnologia, Europa la síntesi de la ciència bàsica i els materials necessaris, i el Japó la implementació circular del procés i la producció en sèrie de LCD. Així, els cristalls líquids, que al llarg dels 80 anys només van causar curiositat, i la tecnologia que els envolta, han creat en els pròxims 40 anys una indústria de 50 mil milions de dòlars. L'any passat es van vendre 750 milions de productes amb LCD, i avui dia hi ha més eines amb LCD que el nombre de persones que vivim a tot el món.

Bibliografia