Acristalamientos sí vierten

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

• Materialak

Foto del microscopio electrónico del virus del mosaico del tabaco. Estos biopolímeros tipo “rod-like” o makila forman cadenas muy rígidas y suelen ser liotrópicos.

Los cristales líquidos, como su nombre indica, son materiales líquidos, por lo que son capaces de fluir. Pero por otra parte, al tratarse de cristales, indican una cierta ordenación, anisotropía o tal mesomorfismo. No son como los líquidos isotrópicos que se vierten. La existencia de este tipo de materiales se detectó hace 100 años y desde entonces se han encontrado varios cristales líquidos. Entre ellas, diversas sustancias naturales y biopolímeros: colágeno, mosaico virus del tabaco, colesterol, poli(benzil —L— glutamato), algunos derivados de la celulosa, etc.

Pueden ser cristales líquidos, liotrópicos o termotrópicos. En el primer caso, el estado de cristalidad, expresado en términos de ordenación, anisotropía o mesomorfismo, aparece en un sistema disuelto. En los sistemas termotrópicos nos encontramos ante un líquido conflictivo, ya que ha superado su temperatura de transición vítrea o de fusión. En cuanto a la clase de ordenación, se clasifican los sistemas nemáticos (que indican el nivel de orden), los sistemas colestéricos (de orden medio) y los sistemas smetálicos (de orden máximo).

Cristales líquidos más conocidos comercialmente

Los materiales utilizados en óptica y optoelectrónica son los colestéricos (también llamados “twisted nematic”). En estos sistemas, la dirección principal del ordenamiento molecular cambia de plano a plano, tal y como se muestra en la figura adjunta; la longitud de onda reflejada por el material es = np, siendo n el índice de refracción y p la distancia necesaria para que la dirección principal de las moléculas gire el ángulo 2.

Las aplicaciones prácticas se basan en la variación del parámetro p. Mediante la aplicación de un campo mecánico, eléctrico, magnético o térmico débil, p cambia el color del cristal líquido o la transmisión de luz. Algunas propiedades químicas del medio también pueden modificar el parámetro p.

El comportamiento colesterol se ha observado en los ésteres. Por ejemplo, entre fenilciclohexanona, fenildioxano, xianofenilpirimidina, etc. Estas no son moléculas de elevado peso molecular y su viscosidad no es por ello elevada. Este último punto es importante ya que los tiempos de respuesta deben ser muy reducidos para que estos materiales sean utilizados en dispositivos ópticos. Para que el tiempo de respuesta sea menor de 100 milisegundos (mayor tiempo sería una respuesta demasiado lenta) la viscosidad a temperatura ambiente debe ser de 0.2.

Valores teóricos y experimentales de los módulos de Young de diferentes polímeros. KEVLAR, polímero de la casa Dupont, es un cristal líquido liotrópico. En la fabricación de fibras, en ^lugar de pascal o dina/cm 2, se utiliza la unidad gramo/denier, siendo un denier el peso de una fibra de 9000 metros de longitud. En esta unidad se tiene en cuenta la densidad del material.

Cristales líquidos poliméricos

Estructura de los colesterol: la dirección principal va cambiando de plano a plano. La distancia necesaria para girar el ángulo 2 de dirección es p _{=2 r ab} /q.

A pesar de que los cristales líquidos más conocidos y de momento los más utilizados son ésteres colesterol de bajo peso molecular, esta última década está marcando el aumento de los polímeros nemáticos. En realidad, la mayoría de los cristales líquidos poliméricos son nemáticos. Hay polímeros colesterol, pero de baja practicidad. Debido a su elevado peso molecular, la viscosidad es mucho mayor que el 0.2 poise antes mencionado y el tiempo de respuesta se hace muy largo (¿Dónde podemos ir con un material que necesita dos horas para cambiar de color? ).

La ventaja de los cristales líquidos poliméricos no reside en sus propiedades ópticas sino en sus propiedades de flujo y, sobre todo, en sus propiedades mecánicas. Las propiedades mecánicas de los polímeros convencionales no son muy altas. Si sólo consideráramos los ángulos de unión y las longitudes de enlace que intervienen en la cadena de polímeros, los módulos E de Young que teóricamente se podrían obtener serían muy altos, pero los que se obtienen en la realidad son muy bajos. En la siguiente tabla se puede apreciar esta diferencia significativa, que se debe a que los polímeros clásicos no forman hilos estirados sino hilos enrollados. En cualquier caso, cabe destacar el comportamiento de KEVLAR, que en este caso nos muestra un valor experimental y teórico bastante cercano, y que además es mucho mayor que los valores de otros polímeros.

Este comportamiento particular no es de extrañar si tenemos en cuenta que el KEVLAR es un cristal líquido polimérico: el sistema liotrópico que forma la poli (tereftalamida de los feniles) disuelta en sulfúrico. Las poli(tereftalamida de los feniles) son cadenas muy rígidas (polímeros tipo “rod-like” o bastón, similares al virus del mosaico del tabaco) que se desplazan por una ordenación nemática durante el flujo, que se mantiene cuando se elimina el disolvente. Esta estructura de cadena estirada permite obtener excelentes propiedades mecánicas en estos materiales, ya que al ser tan rígida la cadena polimérica no se enrolla como en las cadenas poliméricas flexibles convencionales. En este caso el valor del módulo de Young se debe únicamente a los ángulos de enlace y a las longitudes de enlace.

En las pantallas de los ordenadores se utilizan ésteres colesterol de bajo peso molecular.

Es interesante comparar las propiedades mecánicas de KEVLAR con las de un acero común. Para la fibra KEVLAR, el módulo de Young puede ser de 1200 gramos/total (en términos de densidad equivalen a 15x1010 pascales) y su resistencia de tracción de 30 gramos/total (es decir, 3.85x109 pascales). Para el acero tenemos 300 gramos/denier (20x1010 pascales) en el módulo y 4.5 gramos/denier (3.05x109 pascales) en resistencia de tracción. Por tanto, comparado en peso, se puede afirmar que las propiedades mecánicas de estos materiales poliméricos son mejores que las del acero.

La fibra de KEVLAR a la que nos referimos es un cristal líquido liotrópico. Por lo tanto, siempre necesita la presencia de disolvente para mantener la anisotropía en estado líquido, lo que genera graves problemas tecnológicos. Durante el proceso de bobinado se debe eliminar el sulfúrico y se encarece mucho el proceso. Además, por este motivo con los liotrópicos sólo se pueden hacer hilos o fibras y no es posible realizar moldeo por inyección con estos materiales.

Los cristales líquidos poliméricos termotrópicos adquieren una estructura fibrosa similar a la madera cuando se extruyen o inyectan.

Hace unos años, Tennessee Eastman patentó el primer polímero termotrópico que podía ser útil. Desde entonces Celanese (hoy Hoestch-Celanese), I.C.I. Otras casas han lanzado cristales líquidos poliméricos termotrópicos. Estos termotrópicos suelen ser copolímeros formados por grupos rígidos, como los ácidos naftónicos y los benzoos, y polímeros malignos. Una ventaja de estos copoliésteres frente a los liotrópicos tipo KEVLAR es que para conservar anisotropía en estado líquido no necesitan disolventes. Por tanto, se pueden extruir, bobinar e inyectar, siendo el proceso mucho más simple. Durante estas operaciones de procesado, los termotrópicos forman pequeñas fibras que recuerdan la estructura fibrosa de la madera.

Además de las excelentes propiedades mecánicas mencionadas, otra de las propiedades destacables de los cristales líquidos poliméricos es su procesabilidad. Debido a que las cadenas rígidas toman la dirección del flujo durante el flujo, la viscosidad en igualdad de condiciones suele ser menor que la del polímero convencional. Dada su baja viscosidad, pueden inyectarse fácilmente en moldes muy complicados.

La tercera ventaja de los cristales líquidos poliméricos es su estabilidad dimensional. En los polímeros convencionales, las tensiones generadas en el procesado (extrusión o inyección) quedan congeladas al enfriarse el polímero y pueden recuperarse con el paso del tiempo modificando las dimensiones iniciales del material (mediante “shrinkage” o reducción). Esto no ocurre en los polímeros termotrópicos, por lo que pueden emplearse en la construcción de circuitos impresos en electrónica. Por ejemplo, en la soldadura que se realiza en estos circuitos durante la fase de vapor, su contracción es menor que la de los sustratos de los óxidos de aluminio.

Cambio de dirección principal en un cristal colestérico. a) Cuando no se aplique el campo. b) Cuando el campo sea superior al valor crítico. c) Cuando el campo sea mucho mayor que el valor crítico.