Acristalamientos si verten

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

• Materialak

Foto do microscopio electrónico do virus do mosaico do tabaco. Estes biopolímeros tipo “rod-like” ou makila forman cadeas moi ríxidas e adoitan ser liotrópicos.

Os cristais líquidos, como o seu nome indica, son materiais líquidos, polo que son capaces de fluír. Pero por outra banda, ao tratarse de cristais, indican una certa ordenación, anisotropía ou tal mesomorfismo. Non son como os líquidos isotrópicos que se verten. A existencia deste tipo de materiais detectouse fai 100 anos e desde entón atopáronse varios cristais líquidos. Entre elas, diversas sustancias naturais e biopolímeros: colágeno, mosaico virus do tabaco, colesterol, poli(benzil —L— glutamato), algúns derivados da celulosa, etc.

Poden ser cristais líquidos, liotrópicos ou termotrópicos. No primeiro caso, o estado de cristalidad, expresado en termos de ordenación, anisotropía ou mesomorfismo, aparece nun sistema disolto. Nos sistemas termotrópicos atopámonos ante un líquido conflitivo, xa que superou a súa temperatura de transición vítrea ou de fusión. En canto á clase de ordenación, clasifícanse os sistemas nemáticos (que indican o nivel de orde), os sistemas colestéricos (de orde medio) e os sistemas smetálicos (de orde máxima).

Cristais líquidos máis coñecidos comercialmente

Os materiais utilizados en óptica e optoelectrónica son os colestéricos (tamén chamados “twisted nematic”). Nestes sistemas, a dirección principal do ordenamento molecular cambia de plano a plano, tal e como se mostra na figura adxunta; a lonxitude de onda reflectida polo material é = np, sendo n o índice de refracción e p a distancia necesaria para que a dirección principal das moléculas vire o ángulo 2.

As aplicacións prácticas baséanse na variación do parámetro p. Mediante a aplicación dun campo mecánico, eléctrico, magnético ou térmico débil, p cambia a cor do cristal líquido ou a transmisión de luz. Algunhas propiedades químicas do medio tamén poden modificar o parámetro p.

O comportamento colesterol observouse nos ésteres. Por exemplo, entre fenilciclohexanona, fenildioxano, xianofenilpirimidina, etc. Estas non son moléculas de elevado peso molecular e o seu viscosidad non é por iso elevada. Este último punto é importante xa que os tempos de resposta deben ser moi reducidos para que estes materiais sexan utilizados en dispositivos ópticos. Para que o tempo de resposta sexa menor de 100 milisegundos (maior tempo sería una resposta demasiado lenta) a viscosidad a temperatura ambiente debe ser de 0.2.

Valores teóricos e experimentais dos módulos de Young de diferentes polímeros. KEVLAR, polímero da casa Dupont, é un cristal líquido liotrópico. Na fabricación de fibras, en lugar de pascal ou dina/cm 2, utilízase a unidade gramo/denier, sendo un denier o peso dunha fibra de 9000 metros de lonxitude. Nesta unidade tense en conta a densidade do material.

Cristais líquidos poliméricos

Estrutura do colesterol: a dirección principal vai cambiando de plano a plano. A distancia necesaria paira virar o ángulo 2 de dirección é p _{=2 r ab} /q.

A pesar de que os cristais líquidos máis coñecidos e de momento os máis utilizados son ésteres colesterol de baixo peso molecular, esta última década está a marcar o aumento dos polímeros nemáticos. En realidade, a maioría dos cristais líquidos poliméricos son nemáticos. Hai polímeros colesterol, pero de baixa practicidad. Debido ao seu elevado peso molecular, a viscosidad é moito maior que o 0.2 poise antes mencionado e o tempo de resposta faise moi longo (Onde podemos ir cun material que necesita dúas horas paira cambiar de cor? ).

A vantaxe dos cristais líquidos poliméricos non reside nas súas propiedades ópticas senón nas súas propiedades de fluxo e, sobre todo, nas súas propiedades mecánicas. As propiedades mecánicas dos polímeros convencionais non son moi altas. Se só considerásemos os ángulos de unión e as lonxitudes de enlace que interveñen na cadea de polímeros, os módulos E de Young que teoricamente se poderían obter serían moi altos, pero os que se obteñen na realidade son moi baixos. Na seguinte táboa pódese apreciar esta diferenza significativa, que se debe a que os polímeros clásicos non forman fíos estirados senón fíos enrolados. En calquera caso, cabe destacar o comportamento de KEVLAR, que neste caso móstranos un valor experimental e teórico bastante próximo, e que ademais é moito maior que os valores doutros polímeros.

Este comportamento particular non é de estrañar si temos en conta que o KEVLAR é un cristal líquido polimérico: o sistema liotrópico que forma o poli (tereftalamida dos feniles) disolta en sulfúrico. O poli(tereftalamida dos feniles) son cadeas moi ríxidas (polímeros tipo “rod-like” ou bastón, similares ao virus do mosaico do tabaco) que se desprazan por unha ordenación nemática durante o fluxo, que se mantén cando se elimina o disolvente. Esta estrutura de cadea estirada permite obter excelentes propiedades mecánicas nestes materiais, xa que ao ser tan ríxida a cadea polimérica non se enrola como nas cadeas poliméricas flexibles convencionais. Neste caso o valor do módulo de Young débese unicamente aos ángulos de enlace e ás lonxitudes de enlace.

Nas pantallas dos computadores utilízanse ésteres colesterol de baixo peso molecular.

É interesante comparar as propiedades mecánicas de KEVLAR coas dun aceiro común. Paira a fibra KEVLAR, o módulo de Young pode ser de 1200 gramos/total (en termos de densidade equivalen a 15x1010 pascales) e a súa resistencia de tracción de 30 gramos/total (é dicir, 3.85x109 pascales). Paira o aceiro temos 300 gramos/denier (20x1010 pascales) no módulo e 4.5 gramos/denier (3.05x109 pascales) en resistencia de tracción. Por tanto, comparado en peso, pódese afirmar que as propiedades mecánicas destes materiais poliméricos son mellores que as do aceiro.

A fibra de KEVLAR á que nos referimos é un cristal líquido liotrópico. Por tanto, sempre necesita a presenza de disolvente paira manter a anisotropía en estado líquido, o que xera graves problemas tecnolóxicos. Durante o proceso de bobinado débese eliminar o sulfúrico e encarécese moito o proceso. Ademais, por este motivo cos liotrópicos só se poden facer fíos ou fibras e non é posible realizar moldeo por inxección con estes materiais.

Os cristais líquidos poliméricos termotrópicos adquiren una estrutura fibrosa similar á madeira cando se extruyen ou inxectan.

Hai uns anos, Tennessee Eastman patentou o primeiro polímero termotrópico que podía ser útil. Desde entón Celanese (hoxe Hoestch-Celanese), I.C.I. Outras casas lanzaron cristais líquidos poliméricos termotrópicos. Estes termotrópicos adoitan ser copolímeros formados por grupos ríxidos, como os ácidos naftónicos e os benzoos, e polímeros malignos. Una vantaxe destes copoliésteres fronte aos liotrópicos tipo KEVLAR é que paira conservar anisotropía en estado líquido non necesitan disolventes. Por tanto, pódense extruir, bobinar e inxectar, sendo o proceso moito máis simple. Durante estas operacións de procesado, os termotrópicos forman pequenas fibras que lembran a estrutura fibrosa da madeira.

Ademais das excelentes propiedades mecánicas mencionadas, outra das propiedades destacables dos cristais líquidos poliméricos é o seu procesabilidad. Debido a que as cadeas ríxidas toman a dirección do fluxo durante o fluxo, a viscosidad en igualdade de condicións adoita ser menor que a do polímero convencional. Dada a súa baixa viscosidad, poden inxectarse facilmente en moldes moi complicados.

A terceira vantaxe dos cristais líquidos poliméricos é a súa estabilidade dimensional. Nos polímeros convencionais, as tensións xeradas no procesado (extrusión ou inxección) quedan conxeladas ao arrefriarse o polímero e poden recuperarse co paso do tempo modificando as dimensións iniciais do material (mediante “shrinkage” ou redución). Isto non ocorre nos polímeros termotrópicos, polo que poden empregarse na construción de circuítos impresos en electrónica. Por exemplo, na soldadura que se realiza nestes circuítos durante a fase de vapor, a súa contracción é menor que a dos substratos dos óxidos de aluminio.

Cambio de dirección principal nun cristal colestérico. a) Cando non se aplique o campo. b) Cando o campo sexa superior ao valor crítico. c) Cando o campo sexa moito maior que o valor crítico.