Cristales líquidos: hacia una comprensión más profunda de la materia

¿Cuáles son los estados de agregación de la materia? Si se plantea esta pregunta a un alumno de secundaria, la respuesta probablemente sería estado sólido, estado líquido y estado gaseoso. Puede que algún adolescente rápido sepa qué son los plasmas. En realidad, si la temperatura de una sustancia sube, es posible quitar electrones a sus átomos y llevarlos a una nueva fase. Esta nueva situación se denomina plasma y la utilizamos en la vida cotidiana como tubos fluorescentes. Sin embargo, hay otra situación especial, que seguramente será completamente desconocida para el lector, aunque presente en algunos dispositivos cotidianos: el cristal líquido.

En el caso más simple son sustancias formadas por moléculas con forma de varilla. Aunque estos compuestos son fluyentes, las interacciones moleculares producen una orientación paralela entre sí. Debido a este orden suplementario que no tienen los líquidos comunes, recibieron el nombre de cristales líquidos [1]. Pero, ¿para qué se utilizan los cristales líquidos? Para hacer pantallas planas, por ejemplo. De hecho, las moléculas de estos materiales suelen ser polares y, gracias a su fluidez, pueden orientarse fácilmente mediante campos eléctricos. De esta forma, si se colocan entre dos polarizadores de luz, pueden hacer pasar o bloquear la luz.

Al margen de las complejidades tecnológicas, los LCD (Liquid Crystal Display en inglés) funcionan básicamente de esta manera. A pesar de que en los últimos años la tecnología OLED basada en diodos orgánicos ha aumentado considerablemente, la industria LCD sigue teniendo un peso importante. Asimismo, debido a la utilidad de los cristales líquidos en la fotónica [2], sigue siendo un campo de investigación vivo.

Figura 2. Algunas estructuras que pueden mostrar los cristales líquidos formados por moléculas en forma de varilla. En los extremos se encuentran los estados cristalino y líquido, las fases de mayor y menor orden, respectivamente. Ed. Aitor Erkoreka y Josu Martínez-Perdiguero.

Desde el descubrimiento del primer cristal líquido en el siglo XIX, en los compuestos que se han sintetizado a lo largo de los años se han observado diversas subfases que se clasifican según la estructura que adoptan las moléculas. Los cristales líquidos nemáticos mencionados anteriormente, señalados con la letra N, sólo tienen orden de orientación. Los cristales líquidos esmécticos (Sm) también tienen orden de posición. De hecho, además de orientar las moléculas en una dirección determinada, tienden a situarse en planos paralelos entre sí, manteniendo siempre cierta fluidez. A principios del siglo XX, los famosos físicos Debye y Born le han propuesto la existencia de una nueva fase [3, 4]: el cristal líquido nemático ferroeléctrico (NF). Aunque las moléculas de los materiales nemáticos comunes son polares, toda la estructura es apolar. Es decir, no todos los dipolos eléctricos (separación de cargas positivas y negativas) tienen por qué estar orientados en la misma dirección, ya que las interacciones moleculares no separan los extremos de las moléculas [5]. La fase nemática ferroeléctrica sería polar, es decir, todos los dipolos estarían orientados en una dirección quebrada. Después de este pronóstico teórico, pasaron décadas y décadas, pero no se encontró material de las sacas. Los únicos cristales líquidos ferroeléctricos que se sintetizaron eran esmécticos, ya que el orden de posición de los moles facilitaba la aparición de ferroelectricidad. La aridez (poco orden de posición) y la ferroelectricidad son excluyentes entre sí [6]. De hecho, la agitación térmica sería capaz de eliminar incluso la mínima ordenación de los dipolos de largo alcance que pudiera surgir en el material. De acuerdo con esta afirmación, por lo tanto, no era de extrañar que no se encontrara ningún material de este tipo.

Figura 3. Diferencia entre las fases _N y NF. En la primera no hay orden polar, ya que los dipolos eléctricos tienen sentido aleatorio. En el segundo, sin embargo, las interacciones moleculares hacen que todos los dipolos estén orientados en una dirección determinada. Ed. Aitor Erkoreka y Josu Martínez-Perdiguero.

En 2017, sin embargo, varios químicos sintetizaron algunos compuestos curiosos [7, 8]. Las fresas de estos materiales eran muy polares y al bajar la temperatura observaron una transición de fase nematico-nemática. No obstante, la naturaleza de la fase nemática de baja temperatura era distinta. Un grupo de investigación estudió la estructura de uno de estos cristales líquidos, conocido como RM734 [9]. Los investigadores propusieron que el RM734 lleva una fase nemática localmente polar. En él existirían dominios polares con sentidos rotatorios en los que los moles adoptarían una estructura de expansión (splay structure en inglés), es decir, las moléculas se propagarían radialmente de un origen. Aunque posteriormente se encontró que esta estructura corresponde a otra fase intermedia _{entre las} fases N y NF, este estudio preliminar fue importante. En cualquier caso, los científicos del Centro de Investigación en Materiales Blandos de la Universidad de Colorado fueron los primeros que propusieron la ferroelectricidad de este mate­rial en 2020 [10]. Según los estadounidenses, este cristal líquido muestra la fase NF _predicida por Born con dominios polares ma­croscópicos. Estos resultados han sido confirmados por grupos de todo el mundo y se han encontrado moléculas que cumplen características similares. Podemos decir, pues, que se ha encontrado un nuevo estado de la materia.

El reto que tenemos ahora los científicos es comprender esta nueva fase. ¿Qué características tiene la fase _NF? ¿Cuáles son los mecnismos moleculares que permiten el emparejamiento de los dipolos? Nosotros, como investigadores del Departamento de Física de la Unión Vasca, estamos tratando de responder a estas preguntas. Para ello utilizamos métodos eléctricos. Concretamente, medimos la denominada permi­tibidad dieléctrica, tanto en función de la frecuencia de excitación eléctrica como de la temperatura. Esta magnitud física, en cierto modo, cuantifica la influencia de un campo eléctrico externo en una determinada «mural». Aunque esta variable es macros­cópica, mediante un análisis adecuado de los datos, se pueden investigar los procesos mole­culares de estos materiales. En la _fase NF, en concreto, se han medido los gigantescos valores de permitividad diáfana [11], cuyo origen es desconocido. Abordando este tipo de cuestiones, entenderemos mejor el carácter de esta fase mixta. Además, el interés de estos materiales no es sólo científico, sino también tecnológico. En realidad, las NF pueden ser útiles para hacer pantallas más eficientes, nuevos dispositivos electro-ópticos, etc. En definitiva, hay que tener en cuenta que la principal característica de estos compuestos es su pola­ridad, es decir, son muy sensibles a los campos eléctricos exteriores. Por lo tanto, no sería extraño que en unos años todos llevemos un material NF en nuestros teléfonos móviles.

Bibliografía

El agradecimiento de
Aitor Erkoreka al Departamento de Educación del Gobierno Vasco por la subvención recibida a través del Programa Predoctoral de Formación de Personal Investigador No Doctor.