La tecnología LCD cumple 40 años: una historia tan desconocida como curiosa

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

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La molécula 5CB necesaria para el desarrollo de los LCD cumple este año 40 años. El descubrimiento se debe al escocés George Gray y a sus dos compañeros de la Universidad de Hull. Estamos rodeados de relojes, calculadoras y televisiones equipadas con pantallas LCD ( liquid crystal display ), una molécula que ha influido más en nuestra sociedad que cualquier descubrimiento desarrollado por los Premios Nobel de los últimos 40 años. Gracias a esta molécula, este artículo se puede leer en una tablet, teléfono o monitor y una molécula se ha convertido en un negocio milenario. Según la lista Eureka UK, es uno de los 100 descubrimientos más importantes del Reino Unido que han cambiado el mundo.

Cristales líquidos

Sobre los cristales líquidos se han publicado varios artículos en euskera (A. Santamaría, Elhuyar , 1989; M. Iriarte, Berria, 2009). En resumen, el cristal líquido es un estado físico entre el estado sólido y el líquido. Tiene la capacidad de fluir como un líquido, y es capaz de mantener el orden, en uno u otro plano, cuando la temperatura aumenta del estado sólido al líquido. En estado sólido, todas las moléculas están compactas en una estructura tridimensional y no se mueven hasta alcanzar una temperatura determinada. Entonces, las moléculas están más libres y empiezan a moverse. El sistema se colapsa y el sólido se transforma en líquido mezclado. Sin embargo, como la forma de los cristales es "en forma de bastón", si se calientan, éstos sufren un movimiento de rotación; a pesar de perder el orden de los cristales, todos permanecen paralelos y presentan características propias entre sólido y líquido. Por lo tanto, aunque el nombre hace pensar lo contrario, no son ni líquidos ni sólidos.

Friedrich Reinitzer, checo, descubrió por primera vez los cristales líquidos en 1888. Cuando investigaba el benzoato de colesterol, descubrió que tenía dos temperaturas de fusión. El colesterol sólido extraído de la zanahoria se transformaba en líquido blanco a 145,5 ºC y líquido totalmente transparente a 178,5 ºC. Al cabo de un año, Otto Lehmann se da cuenta de que se encuentra ante un nuevo estado de los materiales entre sólidos y líquidos, y al mostrar unas características tanto de líquidos como de sólidos, se le llama cristal líquido. Sin embargo, hasta el año 1911 no se estudió bien su estructura y características, y a pesar de que durante las siguientes cinco décadas se investigó en numerosas universidades europeas, no se encontraron aplicaciones claras para este compuesto.

Descubrimiento de cianobifeniles

Una de ellas era la Universidad de Hull, dedicada a la investigación de cristales líquidos. En 1947 George Gray fue a realizar su tesis a Hull, donde estudió cristales líquidos durante más de 40 años. Gray y su pequeño grupo triunfaron con la síntesis de una molécula, la 4-ciano-4´-pentildifenil (5CB). Previamente se sintetizaron otros compuestos (carbonatos éster, estilbenos, etc.) y se probaron en pantallas, pero no tuvieron éxito. A menudo, para obtener nuevas moléculas, se añaden nuevos grupos a moléculas conocidas. En este caso, se decidió eliminar los grupos funcionales de las moléculas iniciales, es decir, simplificar las moléculas. A diferencia de otras moléculas similares utilizadas en LCD hasta 1972, la molécula 5CB era estable entre 22 y 35 ºC. Esto era imprescindible para poder utilizarlo a temperatura ambiente. Es evidente, sin embargo, que el rango de temperatura de 22-35ºC no es suficiente para utilizar los LCD en la mayoría de las aplicaciones, por lo que la molécula 5CB fue mezclada con otras moléculas para obtener la molécula E7. Esta molécula podía utilizarse en intervalos de temperatura mucho mayores. El hallazgo de 5CB y E7 fue publicado en 1973 en un artículo que se ha convertido en un clásico. La demanda de esta molécula fue enorme y el Grupo de Cristales Líquidos de Hull no fue capaz de responder a esa demanda. Así, la empresa BDH con la que colaboraba, Merck en la actualidad, obtuvo el contrato de venta de esta molécula.

Al igual que en otros muchos descubrimientos, el camino hasta llegar a la síntesis de esta molécula fue duro, sobre todo por la escasa financiación de este campo de cristales líquidos sin aparentes aplicaciones claras. Y para que la investigación sobre los cristales líquidos fuera de un tema curioso y poco importante, y llegara a esa ubicuidad que tiene hoy, hubo dos claves: la necesidad de hacer nuevos tipos de pantallas y las sospechas de un extraño ministro británico de la época.

El ministro de Tecnología, John Stonehouse, quería desarrollar una nueva tecnología para construir pantallas planas de colores que sustituyeran a las televisiones con tubos de rayos catódicos de entonces (CRT en inglés). En una ocasión, el director del Radar Research Establishment (RRE) reconoció que la cantidad que el Reino Unido estaba pagando a EE.UU. por los royalties de este tipo de televisión era superior a la que estaba invirtiendo en el desarrollo del Concerto. Al día siguiente de su audiencia, a primera hora de la mañana, sin perder tiempo, el ministro puso en marcha un nuevo programa de sustitución del CRT. Por tanto, en 1968 se puso en marcha un grupo de militares y científicos para desarrollar estas nuevas pantallas planas lo antes posible. Este grupo propuso tecnologías y áreas de investigación como la tecnología de los cristales líquidos.

En la primera reunión celebrada por el equipo de Cristales Líquidos se reunieron 27 expertos del Reino Unido, así como varios generales y almirantes. Tras varios debates, el prestigioso físico Cyril Hilsum preguntó a sus compañeros sobre los cristales líquidos: ¿Por qué producía la luz, tras atravesar una muestra de cristales líquidos, aquella peculiar estructura que veían en el proyector? Nadie sabía responder y, tras un largo y vergonzoso silencio, una voz respondió desde las últimas sillas de clase: "Puede que yo ayude". No hace falta decir que esa voz era de George Gray y, nada más salir de aquella reunión, obtuvo un contrato para desarrollar un cristal líquido estable a temperatura ambiente.

Gray escribió el primer libro de texto en inglés sobre cristales líquidos, pero no era muy popular entre los químicos de la época. Así, se desarrollaron nuevos cristales líquidos, que fueron patentados y publicados en 1973. Pasado un año, ya estaban en el mercado las primeras pantallas LCD con 5CB, y en los próximos años Gray sintetizó la molécula formando parte de más del 90% de los relojes digitales, calculadoras y despertadores con LCD de todo el mundo.

Las predicciones del ministro Stonehouse fueron fundamentales en la predicción de la importancia de los cristales líquidos, pero su posterior vida personal y los negocios se fueron abajo. En cuanto los LCD se comercializan por primera vez, sus ropas aparecieron en una playa de Florida, pero no se encontraron restos del cadáver. Falsificó su muerte y viajó con su amante a Australia. Allí se mezcló con el aristócrata asesino Lord Lucan y fue detenido. Además, se conoció que durante más de diez años desde 1960, en el inicio de la tecnología LCD, trabajó como espía de gobierno en Checoslovaquia.

Universidad y patentes de Hull

Gray consiguió los cristales líquidos más importantes en Hull, pero ni el químico ni la universidad se enriquecieron en absoluto. ¿Qué pasó con todo el dinero obtenido por patentes en el momento de la comercialización de los LCD? La financiación del proyecto salió del Ministerio de Defensa, que recibió buena parte para pagar los royalties sobre las televisiones con tubos de rayos catódicos. Al mismo tiempo, la Universidad de Hull, al igual que otras universidades, no pensaba que la patente y la propiedad intelectual le correspondían, y dedicó sólo un poco de dinero al equipo de investigación de Gray para que el Ministerio de Defensa siguiera financiando el equipo de investigación de cristales líquidos hasta que se agotase el plazo de patentes. En aquella época, los LCD fueron patentados por la empresa suiza Hoffman-LaRoche, y los beneficios más destacados obtenidos por la Universidad de Hull fueron los artículos publicados y el reconocimiento internacional. ¿Por qué la Universidad de Hull no patentó esta nueva molécula, apoyó su descubrimiento y la convirtió en la universidad más rica del mundo? ¿Más rico que Harvard, Oxford o cualquier otro? Esta pregunta sigue viva, sobre todo porque muchas universidades actuales, como la Universidad del País Vasco, están patentando productos y cuentan con una oficina para ello.

La complejidad de estas cuestiones hace necesario tener en cuenta algunas consideraciones:

· La mayoría de los descubrimientos realizados por las universidades se realizan con financiación pública, es decir, con dinero de los contribuyentes, y no nos resultaría fácil entenderlo si todo ello acabara en los bolsillos de las empresas privadas.

· Las universidades preferirían que las investigaciones de sus investigadores tuvieran una aplicación directa y se comercializaran. De este modo, lo que ellos hacen tendría un mayor reconocimiento social.

· Las universidades buscan incentivar a sus compañeros para que participen en grandes descubrimientos.

· Las empresas buscan a menudo trabajar con las universidades para que les ayuden a desarrollar sus productos financiando muchos proyectos.

Todos estos intereses son a menudo contradictorios y no son fácilmente canalizables. Tal vez, a la hora de proteger la molécula E7, no sólo eso, sino otras cosas que no se han contado. Así pues, en esta historia los británicos son los que más críticas hacen. El descubrimiento de Gray podría dejar miles de millones de beneficios en el Reino Unido, por ejemplo si la empresa alemana Merck (BDH de entonces) no hubiera comprado por 60 millones de libras. A pesar de que parecía increíble en el negocio de los LCD, no había ninguna empresa en Reino Unido ni en Europa dedicada a la fabricación de pantallas. Sin embargo, Gray no se quedó muy preocupado y, aunque no fue en Europa, la explotación del hallazgo en Japón y Extremo Oriente fue muy satisfactoria. Para Gray, su descubrimiento tuvo tres consecuencias principales:

· Lanzamiento de nuevos cianobifeniles.

· Continuar con la financiación del equipo investigador por parte del Ministerio de Defensa.

· Pasar de tres al grupo de Hull a más de 20. Además, como mantuvieron investigadores de alto nivel como John Goodby y Stephen Kelly, los que conocí en Hull, el equipo de Cristales Líquidos de Hull sigue siendo uno de los grupos más importantes del mundo. Goodby ha publicado más de 400 artículos y Kelly es uno de los tres químicos que han sintetizado más de 3.000 cristales líquidos diferentes (posee 75 patentes).

George Gray ganó numerosos premios a lo largo de su vida, entre los que destacan: En 1979, Queen´s Award, recibido en materia tecnológica, y sin duda el más importante, el Premio Kioto de 1995, equivalente japonés a los Premios Nobel, otorgado por la Fundación Inamori. En su intervención en el acto reflexionó sobre la investigación realizada a lo largo de su vida:

· El éxito y la rápida comercialización se debe al desarrollo de este tipo de materiales en un momento dado. Dos años antes no serían necesarios y dos años después otros investigadores propondrían nuevos materiales.

· La síntesis de estos cianobifeniles tuvo lugar en 1972, y se vendían poco más de un año después. ¡Menudo record! Y ese récord no hubiera sido posible sin la estrecha colaboración entre la universidad y la empresa BDH Ltd.

· Para conseguir los logros en este nivel, además del duro día a día, es imprescindible la formación y educación previa. Además, se requiere un poco de suerte y no hay que alejarse de las oportunidades.

La historia de los LCD es una historia de trabajo duro en la que las desesperaciones fueron múltiples, pero sobre todo ha sido fruto de la competencia y colaboración entre Europa, EEUU y Japón. Cada zona industrial ha contribuido de manera diferente y con sabiduría: Estados Unidos puso sobre la mesa las ideas y la viabilidad de la tecnología, Europa la síntesis de la ciencia básica y los materiales necesarios, y Japón la implementación circular del proceso y la producción en serie de LCD. Así, los cristales líquidos, que a lo largo de los 80 años sólo causaron curiosidad, y la tecnología que los rodea, han creado en los próximos 40 años una industria de 50 mil millones de dólares. El año pasado se vendieron 750 millones de productos con LCD, y a día de hoy hay más herramientas con LCD que el número de personas que vivimos en todo el mundo.

Bibliografía