Cristalls líquids: cap a una comprensió més profunda de la matèria

Figura 1. Fotografia d'un cristall líquid observat amb un microscopi òptic de polarització. L'ordre addicional que no tenen els líquids normals provoca l'aparició de textures estranyes.

Figura 2. Algunes estructures que poden mostrar els cristalls líquids formats per molècules en forma de vareta. En els extrems es troben els estats cristal·lí i líquid, les fases de major i menor ordre, respectivament. Ed. Aitor Erkoreka i Josu Martínez-Perdiguero.

Des del descobriment del primer cristall líquid en el segle XIX, en els compostos que s'han sintetitzat al llarg dels anys s'han observat diverses subfases que es classifiquen segons l'estructura que adopten les molècules. Els cristalls líquids nemáticos esmentats anteriorment, assenyalats amb la lletra N, només tenen ordre d'orientació. Els cristalls líquids esmèctics (Sm) també tenen ordre de posició. De fet, a més d'orientar les molècules en una direcció determinada, tendeixen a situar-se en plans paral·lels entre si, mantenint sempre una certa fluïdesa. A principis del segle XX, els famosos físics Debye i Born li han proposat l'existència d'una nova fase [3, 4]: el cristall líquid nemático ferroelèctric (NF). Encara que les molècules dels materials nemáticos comuns són polars, tota l'estructura és apolar. És a dir, no tots els dipols elèctrics (separació de càrregues positives i negatives) tenen per què estar orientats en la mateixa direcció, ja que les interaccions moleculars no separen els extrems de les molècules [5]. La fase nemática ferroelèctrica seria polar, és a dir, tots els dipols estarien orientats en una direcció feta fallida. Després d'aquest pronòstic teòric, van passar dècades i dècades, però no es va trobar material de les saques. Els únics cristalls líquids ferroelèctrics que es van sintetitzar eren esmèctics, ja que l'ordre de posició dels mols facilitava l'aparició de ferroelectricitat. L'aridesa (poc ordre de posició) i la ferroelectricitat són excloents entre si [6]. De fet, l'agitació tèrmica seria capaç d'eliminar fins i tot la mínima ordenació dels dipols de llarg abast que pogués sorgir en el material. D'acord amb aquesta afirmació, per tant, no era d'estranyar que no es trobés cap material d'aquest tipus.

Figura 3. Diferència entre les fases _N i NF. En la primera no hi ha ordre polar, ja que els dipols elèctrics tenen sentit aleatori. En el segon, no obstant això, les interaccions moleculars fan que tots els dipols estiguin orientats en una direcció determinada. Ed. Aitor Erkoreka i Josu Martínez-Perdiguero.

En 2017, no obstant això, diversos químics van sintetitzar alguns compostos curiosos [7, 8]. Les maduixes d'aquests materials eren molt polars i en baixar la temperatura van observar una transició de fase nematico-nemática. No obstant això, la naturalesa de la fase nemática de baixa temperatura era diferent. Un grup de recerca va estudiar l'estructura d'un d'aquests cristalls líquids, conegut com RM734 [9]. Els investigadors van proposar que el RM734 porta una fase nemática localment polar. En ell existirien dominis polars amb sentits rotatoris en els quals els mols adoptarien una estructura d'expansió (splay structure en anglès), és a dir, les molècules es propagarien radialment d'un origen. Encara que posteriorment es va trobar que aquesta estructura correspon a una altra fase intermèdia _{entre les} fases N i NF, aquest estudi preliminar va ser important. En qualsevol cas, els científics del Centre de Recerca en Materials Tous de la Universitat de Colorado van ser els primers que van proposar la ferroelectricitat d'aquest material en 2020 [10]. Segons els estatunidencs, aquest cristall líquid mostra la fase NF _predicida per Born amb dominis polars macroscòpics. Aquests resultats han estat confirmats per grups de tot el món i s'han trobat molècules que compleixen característiques similars. Podem dir, doncs, que s'ha trobat un nou estat de la matèria.

El repte que tenim ara els científics és comprendre aquesta nova fase. Quines característiques té la fase _NF? Quins són els mecnismos moleculars que permeten l'aparellament dels dipols? Nosaltres, com a investigadors del Departament de Física de la Unió Basca, estem tractant de respondre a aquestes preguntes. Per a això utilitzem mètodes elèctrics. Concretament, mesurem la denominada permitibidad dielèctrica, tant en funció de la freqüència d'excitació elèctrica com de la temperatura. Aquesta magnitud física, en certa manera, quantifica la influència d'un camp elèctric extern en una determinada «mural». Encara que aquesta variable és macroscòpica, mitjançant una anàlisi adequada de les dades, es poden investigar els processos moleculars d'aquests materials. En la _fase NF, en concret, s'han mesurat els gegantescos valors de permitividad diàfana [11], l'origen de la qual és desconegut. Abordant aquest tipus de qüestions, entendrem millor el caràcter d'aquesta fase mixta. A més, l'interès d'aquests materials no és només científic, sinó també tecnològic. En realitat, les NF poden ser útils per a fer pantalles més eficients, nous dispositius electro-òptics, etc. En definitiva, cal tenir en compte que la principal característica d'aquests compostos és la seva polaritat, és a dir, són molt sensibles als camps elèctrics exteriors. Per tant, no seria estrany que en uns anys tots portem un material NF en els nostres telèfons mòbils.

Bibliografia

L'agraïment d'Aitor
Erkoreka al Departament d'Educació del Govern Basc per la subvenció rebuda a través del Programa Predoctoral de Formació de Personal Investigador No Doctor.