A tecnoloxía LCD cumpre 40 anos: una historia tan descoñecida como curiosa

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

• Teknologia
• Kimika

A molécula 5CB necesaria paira o desenvolvemento dos LCD cumpre este ano 40 anos. O descubrimento débese ao escocés George Gray e aos seus dous compañeiros da Universidade de Hull. Estamos rodeados de reloxos, calculadoras e televisións equipadas con pantallas LCD ( liquid crystal display ), una molécula que influíu máis na nosa sociedade que calquera descubrimento desenvolvido polos Premios Nobel dos últimos 40 anos. Grazas a esta molécula, este artigo pódese ler nunha tablet, teléfono ou monitor e una molécula converteuse nun negocio milenario. Segundo a lista Eureka UK, é un dos 100 descubrimentos máis importantes do Reino Unido que cambiaron o mundo.

Cristais líquidos

Sobre os cristais líquidos publicáronse varios artigos en eúscaro (A. Santamaría, Elhuyar , 1989; M. Iriarte, Berria, 2009). En resumo, o cristal líquido é un estado físico entre o estado sólido e o líquido. Ten a capacidade de fluír como un líquido, e é capaz de manter a orde, nun ou outro plano, cando a temperatura aumenta do estado sólido ao líquido. En estado sólido, todas as moléculas están compactas nunha estrutura tridimensional e non se moven até alcanzar una temperatura determinada. Entón, as moléculas están máis libres e empezan a moverse. O sistema colápsase e o sólido transfórmase en líquido mesturado. Con todo, como a forma dos cristais é "en forma de bastón", se se quentan, estes sofren un movemento de rotación; a pesar de perder a orde dos cristais, todos permanecen paralelos e presentan características propias entre sólido e líquido. Por tanto, aínda que o nome fai pensar o contrario, non son nin líquidos nin sólidos.

Friedrich Reinitzer, checo, descubriu por primeira vez os cristais líquidos en 1888. Cando investigaba o benzoato de colesterol, descubriu que tiña dúas temperaturas de fusión. O colesterol sólido extraído da zanahoria transformábase en líquido branco a 145,5 ºC e líquido totalmente transparente a 178,5 ºC. Ao cabo dun ano, Otto Lehmann dáse conta de que se atopa ante un novo estado dos materiais entre sólidos e líquidos, e ao mostrar unhas características tanto de líquidos como de sólidos, chámaselle cristal líquido. Con todo, até o ano 1911 non se estudou ben a súa estrutura e características, e a pesar de que durante as seguintes cinco décadas investigouse en numerosas universidades europeas, non se atoparon aplicacións claras paira este composto.

Descubrimento de cianobifeniles

Una delas era a Universidade de Hull, dedicada á investigación de cristais líquidos. En 1947 George Gray foi a realizar a súa tese a Hull, onde estudou cristais líquidos durante máis de 40 anos. Gray e o seu pequeno grupo triunfaron coa síntese dunha molécula, a 4-ciano-4´-pentildifenil (5CB). Previamente sintetizáronse outros compostos (carbonatos éster, estilbenos, etc.) e probáronse en pantallas, pero non tiveron éxito. A miúdo, paira obter novas moléculas, engádense novos grupos a moléculas coñecidas. Neste caso, decidiuse eliminar os grupos funcionais das moléculas iniciais, é dicir, simplificar as moléculas. A diferenza doutras moléculas similares utilizadas en LCD até 1972, a molécula 5CB era estable entre 22 e 35 ºC. Isto era imprescindible paira poder utilizalo a temperatura ambiente. É evidente, con todo, que o rango de temperatura de 22-35ºC non é suficiente paira utilizar os LCD na maioría das aplicacións, polo que a molécula 5CB foi mesturada con outras moléculas paira obter a molécula E7. Esta molécula podía utilizarse en intervalos de temperatura moito maiores. O achado de 5CB e E7 foi publicado en 1973 nun artigo que se converteu nun clásico. A demanda desta molécula foi enorme e o Grupo de Cristais Líquidos de Hull non foi capaz de responder a esa demanda. Así, a empresa BDH coa que colaboraba, Merck na actualidade, obtivo o contrato de venda desta molécula.

Do mesmo xeito que noutros moitos descubrimentos, o camiño até chegar á síntese desta molécula foi duro, sobre todo polo escaso financiamento deste campo de cristais líquidos sen aparentes aplicacións claras. E para que a investigación sobre os cristais líquidos fóra dun tema curioso e pouco importante, e chegase a esa ubicuidad que ten hoxe, houbo dúas claves: a necesidade de facer novos tipos de pantallas e as sospeitas dun estraño ministro británico da época.

O ministro de Tecnoloxía, John Stonehouse, quería desenvolver una nova tecnoloxía paira construír pantallas planas de cores que substituísen ás televisións con tubos de raios catódicos de entón (CRT en inglés). Nunha ocasión, o director do Radar Research Establishment (RRE) recoñeceu que a cantidade que o Reino Unido estaba a pagar a EE.UU. polos royalties deste tipo de televisión era superior á que estaba a investir no desenvolvemento do Concerto. Ao día seguinte da súa audiencia, á primeira hora da mañá, sen perder tempo, o ministro puxo en marcha un novo programa de substitución do CRT. Por tanto, en 1968 púxose en marcha un grupo de militares e científicos paira desenvolver estas novas pantallas planas canto antes. Este grupo propuxo tecnoloxías e áreas de investigación como a tecnoloxía dos cristais líquidos.

Na primeira reunión celebrada polo equipo de Cristais Líquidos reuníronse 27 expertos do Reino Unido, así como varios xenerais e almirantes. Tras varios debates, o prestixioso físico Cyril Hilsum preguntou aos seus compañeiros sobre os cristais líquidos: Por que producía a luz, tras atravesar una mostra de cristais líquidos, aquela peculiar estrutura que vían no proxector? Ninguén sabía responder e, tras un longo e vergoñoso silencio, una voz respondeu desde as últimas cadeiras de clase: "Poida que eu axude". Non fai falta dicir que esa voz era de George Gray e, nada máis saír daquela reunión, obtivo un contrato paira desenvolver un cristal líquido estable a temperatura ambiente.

Gray escribiu o primeiro libro de texto en inglés sobre cristais líquidos, pero non era moi popular entre os químicos da época. Así, desenvolvéronse novos cristais líquidos, que foron patentados e publicados en 1973. Pasado un ano, xa estaban no mercado as primeiras pantallas LCD con 5CB, e nos próximos anos Gray sintetizou a molécula formando parte de máis do 90% dos reloxos dixitais, calculadoras e espertadores con LCD de todo o mundo.

As predicións do ministro Stonehouse foron fundamentais na predición da importancia dos cristais líquidos, pero a súa posterior vida persoal e os negocios fóronse abaixo. En canto os LCD comercialízanse por primeira vez, as súas roupas apareceron nunha praia de Florida, pero non se atoparon restos do cadáver. Falsificou a súa morte e viaxou co seu amante a Australia. Alí mesturouse co aristócrata asasino Lord Lucan e foi detido. Ademais, coñeceuse que durante máis de dez anos desde 1960, no inicio da tecnoloxía LCD, traballou como espía de goberno en Checoslovaquia.

Universidade e patentes de Hull

Gray conseguiu os cristais líquidos máis importantes en Hull, pero nin o químico nin a universidade enriquecéronse en absoluto. Que pasou con todo o diñeiro obtido por patentes no momento da comercialización dos LCD? O financiamento do proxecto saíu do Ministerio de Defensa, que recibiu boa parte paira pagar os royalties sobre as televisións con tubos de raios catódicos. Ao mesmo tempo, a Universidade de Hull, do mesmo xeito que outras universidades, non pensaba que a patente e a propiedade intelectual correspondíanlle, e dedicou só un pouco de diñeiro ao equipo de investigación de Gray para que o Ministerio de Defensa seguise financiando o equipo de investigación de cristais líquidos ata que se esgotase o prazo de patentes. Naquela época, os LCD foron patentados pola empresa suíza Hoffman-LaRoche, e os beneficios máis destacados obtidos pola Universidade de Hull foron os artigos publicados e o recoñecemento internacional. Por que a Universidade de Hull non patentou esta nova molécula, apoiou o seu descubrimento e converteuna na universidade máis rica do mundo? Máis rico que Harvard, Oxford ou calquera outro? Esta pregunta segue viva, sobre todo porque moitas universidades actuais, como a Universidade do País Vasco, están a patentar produtos e contan cunha oficina paira iso.

A complexidade destas cuestións fai necesario ter en conta algunhas consideracións:

· A maioría dos descubrimentos realizados polas universidades realízanse con financiamento público, é dicir, con diñeiro dos contribuíntes, e non nos resultaría fácil entendelo se todo iso acabase nos petos das empresas privadas.

· As universidades preferirían que as investigacións dos seus investigadores tivesen una aplicación directa e comercializásense. Deste xeito, o que eles fan tería un maior recoñecemento social.

· As universidades buscan incentivar aos seus compañeiros para que participen en grandes descubrimentos.

· As empresas buscan a miúdo traballar coas universidades para que lles axuden a desenvolver os seus produtos financiando moitos proxectos.

Todos estes intereses son a miúdo contraditorios e non son facilmente canalizables. Talvez, á hora de protexer a molécula E7, non só iso, senón outras cousas que non se contaron. Así pois, nesta historia os británicos son os que máis críticas fan. O descubrimento de Gray podería deixar miles de millóns de beneficios no Reino Unido, por exemplo se a empresa alemá Merck (BDH de entón) non comprase por 60 millóns de libras. A pesar de que parecía incrible no negocio dos LCD, non había ningunha empresa en Reino Unido nin en Europa dedicada á fabricación de pantallas. Con todo, Gray non quedou moi preocupado e, aínda que non foi en Europa, a explotación do achado en Xapón e Extremo Oriente foi moi satisfactoria. Paira Gray, o seu descubrimento tivo tres consecuencias principais:

· Lanzamento de novos cianobifeniles.

· Continuar co financiamento do equipo investigador por parte do Ministerio de Defensa.

· Pasar de tres ao grupo de Hull a máis de 20. Ademais, como mantiveron investigadores de alto nivel como John Goodby e Stephen Kelly, os que coñecín en Hull, o equipo de Cristais Líquidos de Hull sigue sendo un dos grupos máis importantes do mundo. Goodby publicou máis de 400 artigos e Kelly é un do tres químicos que sintetizaron máis de 3.000 cristais líquidos diferentes (posúe 75 patentes).

George Gray gañou numerosos premios ao longo da súa vida, entre os que destacan: En 1979, Queen´s Award, recibido en materia tecnolóxica, e sen dúbida o máis importante, o Premio Kioto de 1995, equivalente xaponés aos Premios Nobel, outorgado pola Fundación Inamori. Na súa intervención no acto reflexionou sobre a investigación realizada ao longo da súa vida:

· O éxito e a rápida comercialización débese ao desenvolvemento deste tipo de materiais nun momento dado. Dous anos antes non serían necesarios e dous anos despois outros investigadores proporían novos materiais.

· A síntese destes cianobifeniles tivo lugar en 1972, e vendíanse pouco máis dun ano despois. Miúdo record! E esa marca non fose posible sen a estreita colaboración entre a universidade e a empresa BDH Ltd.

· Paira conseguir os logros neste nivel, ademais do duro día a día, é imprescindible a formación e educación previa. Ademais, requírese un pouco de sorte e non hai que afastarse das oportunidades.

A historia dos LCD é una historia de traballo duro na que as desesperacións foron múltiples, pero sobre todo foi froito da competencia e colaboración entre Europa, EEUU e Xapón. Cada zona industrial ha contribuído de maneira diferente e con sabedoría: Estados Unidos puxo sobre a mesa as ideas e a viabilidade da tecnoloxía, Europa a síntese da ciencia básica e os materiais necesarios, e Xapón a implementación circular do proceso e a produción en serie de LCD. Así, os cristais líquidos, que ao longo dos 80 anos só causaron curiosidade, e a tecnoloxía que os rodea, crearon nos próximos 40 anos una industria de 50 mil millóns de dólares. O ano pasado vendéronse 750 millóns de produtos con LCD, e a día de hoxe hai máis ferramentas con LCD que o número de persoas que vivimos en todo o mundo.

Bibliografía