Envidraments sí que aboquen

1989/07/01 Santamaria, Antton Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Materialak

Foto del microscopi electrònic del virus del mosaic del tabac. Aquests biopolímers tipus “rod-like” o makila formen cadenes molt rígides i solen ser liotrópicos.

Els cristalls líquids, com el seu nom indica, són materials líquids, per la qual cosa són capaços de fluir. Però d'altra banda, en tractar-se de cristalls, indiquen una certa ordenació, anisotropia o tal mesomorfismo. No són com els líquids isotròpics que s'aboquen. L'existència d'aquesta mena de materials es va detectar fa 100 anys i des de llavors s'han trobat diversos cristalls líquids. Entre elles, diverses substàncies naturals i biopolímers: col·lagen, mosaic virus del tabac, colesterol, poli(benzil —L— glutamat), alguns derivats de la cel·lulosa, etc.

Poden ser cristalls líquids, liotrópicos o termotrópicos. En el primer cas, l'estat de cristalidad, expressat en termes d'ordenació, anisotropia o mesomorfismo, apareix en un sistema dissolt. En els sistemes termotrópicos ens trobem davant un líquid conflictiu, ja que ha superat la seva temperatura de transició vítria o de fusió. Quant a la classe d'ordenació, es classifiquen els sistemes nemáticos (que indiquen el nivell d'ordre), els sistemes colestéricos (d'ordre mitjà) i els sistemes smetálicos (d'ordre màxim).

Cristalls líquids més coneguts comercialment

Els materials utilitzats en òptica i optoelectrònica són els colestéricos (també anomenats “twisted nematic”). En aquests sistemes, la direcció principal de l'ordenament molecular canvia de pla a pla, tal com es mostra en la figura adjunta; la longitud d'ona reflectida pel material és = np, sent n l'índex de refracció i p la distància necessària perquè la direcció principal de les molècules giri l'angle 2.

Les aplicacions pràctiques es basen en la variació del paràmetre p. Mitjançant l'aplicació d'un camp mecànic, elèctric, magnètic o tèrmic feble, p canvia el color del cristall líquid o la transmissió de llum. Algunes propietats químiques del mitjà també poden modificar el paràmetre p.

El comportament colesterol s'ha observat en els èsters. Per exemple, entre fenilciclohexanona, fenildioxano, xianofenilpirimidina, etc. Aquestes no són molècules d'elevat pes molecular i la seva viscositat no és per això elevada. Aquest últim punt és important ja que els temps de resposta han de ser molt reduïts perquè aquests materials siguin utilitzats en dispositius òptics. Perquè el temps de resposta sigui menor de 100 mil·lisegons (major temps seria una resposta massa lenta) la viscositat a temperatura ambient ha de ser de 0.2.

Valors teòrics i experimentals dels mòduls de Young de diferents polímers. KEVLAR, polímer de la casa Dupont, és un cristall líquid liotrópico. En la fabricació de fibres, en ^lloc de pascal o dina/cm 2, s'utilitza la unitat gram/denier, sent un denier el pes d'una fibra de 9000 metres de longitud. En aquesta unitat es té en compte la densitat del material.

Cristalls líquids polimèrics

Estructura dels colesterol: la direcció principal va canviant de pla a pla. La distància necessària per a girar l'angle 2 de direcció és p _{=2 r ab} /q.

A pesar que els cristalls líquids més coneguts i de moment els més utilitzats són èsters colesterol de baix pes molecular, aquesta última dècada està marcant l'augment dels polímers nemáticos. En realitat, la majoria dels cristalls líquids polimèrics són nemáticos. Hi ha polímers colesterol, però de baixa practicitat. A causa del seu elevat pes molecular, la viscositat és molt major que el 0.2 poise abans esmentat i el temps de resposta es fa molt llarg (On podem anar amb un material que necessita dues hores per a canviar de color? ).

L'avantatge dels cristalls líquids polimèrics no resideix en les seves propietats òptiques sinó en les seves propietats de flux i, sobretot, en les seves propietats mecàniques. Les propietats mecàniques dels polímers convencionals no són molt altes. Si només consideréssim els angles d'unió i les longituds d'enllaç que intervenen en la cadena de polímers, els mòduls E de Young que teòricament es podrien obtenir serien molt alts, però els que s'obtenen en la realitat són molt baixos. En la següent taula es pot apreciar aquesta diferència significativa, que es deu al fet que els polímers clàssics no formen fils estirats sinó fils enrotllats. En qualsevol cas, cal destacar el comportament de KEVLAR, que en aquest cas ens mostra un valor experimental i teòric bastant pròxim, i que a més és molt major que els valors d'altres polímers.

Aquest comportament particular no és d'estranyar si tenim en compte que el KEVLAR és un cristall líquid polimèric: el sistema liotrópico que forma la poli (tereftalamida dels feniles) dissolta en sulfúric. Les poli(tereftalamida dels feniles) són cadenes molt rígides (polímers tipus “rod-like” o bastó, similars al virus del mosaic del tabac) que es desplacen per una ordenació nemática durant el flux, que es manté quan s'elimina el dissolvent. Aquesta estructura de cadena estirada permet obtenir excel·lents propietats mecàniques en aquests materials, ja que en ser tan rígida la cadena polimèrica no s'enrotlla com en les cadenes polimèriques flexibles convencionals. En aquest cas el valor del mòdul de Young es deu únicament als angles d'enllaç i a les longituds d'enllaç.

En les pantalles dels ordinadors s'utilitzen èsters colesterol de baix pes molecular.

És interessant comparar les propietats mecàniques de KEVLAR amb les d'un acer comú. Per a la fibra KEVLAR, el mòdul de Young pot ser de 1200 grams/total (en termes de densitat equivalen a 15x1010 pascals) i la seva resistència de tracció de 30 grams/total (és a dir, 3.85x109 pascals). Per a l'acer tenim 300 grams/denier (20x1010 pascals) en el mòdul i 4.5 grams/denier (3.05x109 pascals) en resistència de tracció. Per tant, comparat en pes, es pot afirmar que les propietats mecàniques d'aquests materials polimèrics són millors que les de l'acer.

La fibra de KEVLAR a la qual ens referim és un cristall líquid liotrópico. Per tant, sempre necessita la presència de dissolvent per a mantenir l'anisotropia en estat líquid, la qual cosa genera greus problemes tecnològics. Durant el procés de bobinatge s'ha d'eliminar el sulfúric i s'encareix molt el procés. A més, per aquest motiu amb els liotrópicos només es poden fer fils o fibres i no és possible realitzar emmotllament per injecció amb aquests materials.

Els cristalls líquids polimèrics termotrópicos adquireixen una estructura fibrosa similar a la fusta quan s'extrueixen o injecten.

Fa uns anys, Tennessee Eastman va patentar el primer polímer termotrópico que podia ser útil. Des de llavors Celanese (avui Hoestch-Celanese), I.C.I. Altres cases han llançat cristalls líquids polimèrics termotrópicos. Aquests termotrópicos solen ser copolímers formats per grups rígids, com els àcids naftónicos i els benzoos, i polímers malignes. Un avantatge d'aquests copoliésteres enfront dels liotrópicos tipus KEVLAR és que per a conservar anisotropia en estat líquid no necessiten dissolvents. Per tant, es poden extruir, bobinar i injectar, sent el procés molt més simple. Durant aquestes operacions de processament, els termotrópicos formen petites fibres que recorden l'estructura fibrosa de la fusta.

A més de les excel·lents propietats mecàniques esmentades, una altra de les propietats destacables dels cristalls líquids polimèrics és el seu procesabilidad. Pel fet que les cadenes rígides prenen la direcció del flux durant el flux, la viscositat en igualtat de condicions sol ser menor que la del polímer convencional. Donada la seva baixa viscositat, poden injectar-se fàcilment en motlles molt complicats.

El tercer avantatge dels cristalls líquids polimèrics és la seva estabilitat dimensional. En els polímers convencionals, les tensions generades en el processament (extrusió o injecció) queden congelades en refredar-se el polímer i poden recuperar-se amb el pas del temps modificant les dimensions inicials del material (mitjançant “shrinkage” o reducció). Això no ocorre en els polímers termotrópicos, per la qual cosa poden emprar-se en la construcció de circuits impresos en electrònica. Per exemple, en la soldadura que es realitza en aquests circuits durant la fase de vapor, la seva contracció és menor que la dels substrats dels òxids d'alumini.

Canvi de direcció principal en un cristall colestérico. a) Quan no s'apliqui el camp. b) Quan el camp sigui superior al valor crític. c) Quan el camp sigui molt major que el valor crític.