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Cristales líiquidos - composicion quimica, clasificaciÓn, usos



UNIVERSIDAD PRIVADA ANTENOR ORREGO

FACULTAD DE INGENIERIA

ESCUELA DE INGENIERIA ELECTRONICA

DOCENTE

• José Ángel, Roldán López.

1. PRESENTACION Y DEFINICIÓN____________________

En el presente informe, nuestro grupo aborda el tema principal de los Cristales Líquidos, el cual tiene como objetivo el de informarnos acerca de estos compuestos orgánicos, y como se encuentra presente en nuestra vida diaria, sobre todo en cómo está influyendo actualmente en la tecnología visual.

Un cristal líquido es un material que presenta un tipo especial de estado de agregación de la materia que tiene propiedades de las fases sólida y líquida. Dicho estado se denomina mesofase y confiere a los cristales líquidos unas características que, como veremos, han constituido toda una revolución en el mundo tecnológico.



Si pensamos en un líquido, la imagen que se nos representa es la de una sustancia que fluye, presenta viscosidad y toma la forma del recipiente que la contiene, con un nivel de ordenamiento interno muy bajo. Por otra parte, pensando en un cristal, a grandes rasgos, pensamos en una sustancia en fase sólida, rígida y con un nivel de ordenación atómico elevado. Parece incongruente, entonces, denominar a un material “cristal líquido” cuando el concepto de cristal y de líquido está tan alejado físicamente. Pese a todo, veremos que el nombre es muy acertado, ya que este tipo de materiales presenta propiedades de los líquidos, tales como fluidez y viscosidad, y propiedades de loscristales, tales como cierta ordenación interna con orientación preferencial y algunas otras, que resultan sorprendentes, como la reflexión de haces de luz.

Es decir que el término ‘cristal’ se refiere a materiales que tienen esa clase de estructura ordenada, pero en un cristal líquido, como en un líquido normal, la posición de las moléculas no es precisamente muy ordenada.

Así pues, lo que lo hace diferente a un líquido ordinario, es la forma alargada y delgada de sus moléculas. Aunque la posición de las moléculas sea aleatoria, su orientación puede ser alineada unas con otras en un patrón. Eso es lo que crea la estructura ordenada, como en los sólidos, de un cristal líquido.

2. COMPOSICION QUIMICA_____ _______ ______ _________



En general las moléculas de los cristales líquidos son grandes y alargadas un ejemplo puede ser p-azoxianisol

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Esta forma alargada hace que las moléculas se amontonen como fideos crudos: se colocan en forma paralela, pero con libertad para deslizarse unas con respecto a las otras a lo largo de sus ejes. Los cristales líquidos son anisótropos por la manera que tienen de ordenarse. Los materiales anisótropos tienen propiedades que dependen de la dirección en que se miden. La viscosidad de los cristales líquidos es menor en la dirección paralela a las moléculas. Estas moléculas grandes y alargadas necesitan menos energía para deslizarse unas respecto de las otras a lo largo de sus ejes que para moverse lateralmente. Los materiales isótropos son materiales cuyas propiedades no dependen de la dirección en que se miden. Por ejemplo, los líquidos normales son isótropos: sus viscosidades son las mismas en cualquier dirección. Loscristales líquidos se convierten en líquidos isótropos cuando se calientan por encima de la temperatura de transición, ya que entonces las moléculas tienen la energía suficiente para superar las atracciones que restringen su movimiento.

Desde el descubrimiento del primer compuesto con comportamiento de cristal líquido y hasta hace pocos años, la mayoría de los compuestos con estas características eran moléculas puramente orgánicas. En los últimos años, sin embargo, los cristales líquidos que contienen atomos metálicos han sido también objeto de investigación y desarrollo. Estos compuestos reciben el nombre de metalomesógenos.

Los primeros metalomesógenos descritos en la bibliografía datan de 1923, y fueron descubiertos por Vorländer3. Estos complejos son derivados bis (aril)mercúricos (Figura 6-3) y destacan por ser de los pocos compuestos con comportamiento de cristal líquido que contienen enlaces σ (M-C).

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Figura 6-3: Primeros metalomesógenos descritos en la literatura por Vorländer en

1923.

La mayoría de los metalomesógenos descritos en la bibliografía no contienen enlaces σ(M-C)4, probablemente debido a la baja estabilidad de los compuestos que contienen estos enlaces a temperaturas elevadas y, por tanto, a la falta de la estabilidad para actuar como metalomesógenos termotrópicos.

Aun así, existen algunos metalomesógenos formados por compuestos organometálicos, como por ejemplo

Grupo de derivados ciclopaladados algunos derivados del ferroceno, algunos complejos de platino y paladio que contienen olefinas o grupos acetileno.

La característica común de todos ellos es que contienen cadenas alifáticas largas. En 1986, se describió lapreparación de compuestos metalomesógenos de Pt(II) y Pd(II) con ligandos monodentados (en muchos casos nitrilos). Estos complejos, sin embargo, eran térmicamente muy inestables, inconveniente que muestran generalmente los que contienen ligandos nitrilo. A pesar de que los ligandos isonitrilo dan lugar a compuestos con átomos metálicos con una estabilidad térmica muy elevada, no habían sido muy utilizados para la síntesis de metalomesógenos hasta hace una década aproximadamente, cuando Kaharu y Takahashi describieron los productos mesógenos de Pt(II) y de Pd(II) trans-[MI2(CN-C6H4-R-p)2] (R = -O-CO-C6H4-O-CnH2n+1-p10, -COO-C6H4-OCnH2n+1-p10, CN-C6H4-C6H4-O-CnH2n+1-p11).

En la bibliografía, se encuentran descritos muy pocos complejos metalomesógenos con átomos de oro en su estructura12. Entre ellos, destacan los compuestos del tipo [Au(C≡C-C6H4-CmH2m+1-p)(C≡N-C6H4-X-p)] (X = H, OCnH2n+1; n =2, 4, 6, 8, 10; m = 6, 8, 10, 12)13 o del tipo[Au(C6F4OCmH2m+1)(C≡NC6H4O(O)CC6H4OCnH2n+1)] (m = 4, 8; n = 4, 6, 8, 10)14. Estas especies contienen dos grupos funcionales unidos al oro (I), un grupo isonitrilo y, un grupo acetileno o un fluoroarilo. Todos los derivados tetrafluorofenil oro (I) son cristales altamente estables, incluso en el estado isotrópico en la síntesis de compuestos de Au(I) con fluoroarilos orgánicos.

Los complejos de oro (I) que contienen un ligando aromático fluorado y un isonitrilo, forman parte de los pocos metalomesógenos basados en moléculas que contienen enlaces M-C de tipo σ. Estos compuestos, en lugar de estar formados por dos ligandos aniónicos, como el compuesto de mercurio descrito como primer metalomesógeno, combinan un ligando neutro(isonitrilo) con un aniónico (arilo aromático fluorado). El interés suscitado por los cristales líquidos con subestructuras aromáticas fluoradas es elevado, debido a que la fluoración de los convencionales cristales líquidos orgánicos produce un cambio importante en las temperaturas de fusión, viscosidad, anisotropía dieléctrica y estabilidad de la mesofase.



La composición química de los cristales líquidos van de acuerdo a la función que cumpla por ejemplo para la realización de pantallas de monitores se usan transistores que se fabrican con películas delgadas de silicio amorfo.

     
3. CLASIFICACIÓN__________ ______ ____ _
3.1. TERMOTRÓPICOS
Los cristales líquidos termotrópicos están formados por una sustancia pura que en un intervalo de temperaturas presentan una mesofase. A temperaturas inferiores la muestra es sólida y a temperaturas superiores es un líquido isotrópico. Lo que caracteriza a este grupo son las moléculas alargadas. Estos cristales líquidos se pueden dividir en tres clases: nemáticos, esmécticos y colestéricos.
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|Nemático |Colestérico |Esméctico |

TEXTURAS DE LOS CRISTALES LÍQUIDOS TERMOTRÓPICOS
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|TEXTURA SCHLIEREN |

- TEXTURA COLESTÉRICA - NEMÁTICA
|[pic] |[pic] |
|CRISTAL LÍQUIDO NEMÁTICO GIRADO. TEXTURA GRANDJEAN |CRISTAL LÍQUIDO NEMÁTICO GIRADO. TEXTURA FINGERPRINT |

- TEXTURA CÓNICA FOCAL pic] |[pic] |
|TEXTURA CON FORMA DE ABANICO. CRISTAL LÍQUIDO ESMÉCTICO A |TEXTURA POLIGONAL. CRISTAL LÍQUIDO ESMÉCTICO A |

- TEXTURA MOSAICO
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|CRISTAL LÍQUIDO ESMÉCTICO B |

3.1.1. NEMÁTICOS

Nematos es la palabra griega 'hilo'.
Esta fase tiene lugar cuando la red pierde cohesión lateral, por lo que las moléculas pueden desplazarse tanto en los ejes X, Y como Z, pero sólo pueden girar alrededor del eje Z. La fase nemática es la menos ordenada. Mientras el orden direccional de los ejes de los mesógenos se mantiene, los centros de gravedad no se conservan en capas sino que están distribuidos al azar en la fase. El cristal líquido nemático presenta birrefrigencia a pesar de ser muy fluido.

Las moléculas comúnmente encontradas en esta clase de cristales líquidos son alargadas, aunque las moléculas de otras formas (por ejemplo discos) se sabe que muestran cristalización líquida nemática. En los cristales líquidos nemáticos comunes los ejes alargados de las moléculas mantienen un ordenamiento paralelo o casi paralelo.

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Disposición de las moléculas en una fase nemática
“ Características de los cristales líquidos nemáticos:
1. Orden de orientación, es decir, los ejes alargados de las moléculas permanecen paralelos.
2. La estructura nemática es fluida, es decir, las moléculas pierden sus posiciones fijas.
Las moléculas en un cristal líquidonemático no están totalmente orientadas. La medida del grado de orientación puede expresarse mediante un parámetro de orden S que viene dado por la expresión
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3.1.2. ESMÉCTICOS
En un cristal líquido esméctico, las moléculas tienen una relativa libertad de traslación sobre los ejes X e Y de rotación sobre el eje Z. Las fuerzas laterales entre las moléculas de la fase esméctica son más fuertes que las fuerzas entre las capas y por eso es posible el deslizamiento de una capa sobre otra que proporciona la fluidez característica del sistema, sin perder el orden dentro de la capa.
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Disposición de las moléculas en una fase esméctica

3.1.3.
COLESTÉRICOS
La estructura colestérica-nemática fue observada por primera vez con ésteres colestéricos. Cualquier cristal líquido nemático común puede convertirse en uno colestérico añadiendo un componente ópticamente activo. En los últimos años se han encontrado moléculas que no son ésteres, que son activas ópticamente y que muestran estructura colestérica-nemática. Para distinguir estos compuestos de los ésteres colestéricos, llamaremos a estos cristales líquidos nemáticos quirales.

Partiendo de la estructura nemática podemos obtener un cristal líquido colestérico si se supone que la orientación de las moléculas dentro de las capas sucesivas va girando a medida que avanzamos en el eje Y. Las moléculas dentro de una capa tienen la misma orientación, pero ésta varía describiendo un estructura helicoidal a medida que se avanza en una dirección perpendicular a las capas moleculares.

En esta fase de cristal líquido el director no está fijo en el espacio como en una fase nemática; sinoque rota a través de la muestra.

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Representación tridimensional del empaquetamiento molecular de estas moléculas
Los ejemplos más comunes de las moléculas que forman esta fase están estrechamente relacionados con el colesterol, así que les llamamos cristales líquidos colestéricos. El benzoato de colesterilo tiene una fase de cristal líquido colestérica. Sin embargo, el término colestérico no es del todo apropiado debido a que hay muchos cristales líquidos colestéricos que no tienen conexión con el colesterol. Un nombre más apropiado para esta fase es cristal líquido nemático girado por ser una variación de los nemáticos.
Una sustancia puede poseer o bien la fase cristalina líquida nemática o la fase cristalina líquida nemática torcida, pero no ambas.
3.2. LIOTRÓPICOS
Las moléculas que forman cristales líquidos liotrópicos son agentes tensioactivos que constan de dos partes distintas: una polar, a menudo iónica, que es la cabeza y otra no polar, a menudo una cola hidrocarbonada.
Las moléculas de cristal líquido liotrópicas pertenecen a una clase de sustancias llamadas compuestos anfifílicos. Estos compuestos tienen una cabeza polar (iónica) hidrofílica y una cola hidrofóbica.
Estos cristales líquidos se forman cuando un sólido se disuelve en un líquido apropiado a intervalos determinados de concentración, temperatura y presión. A medida que aumenta la concentración de las moléculas en la solución, ellas toman diferentes ordenamientos o fases.
La forma cristalina de una molécula anfifílica y agua genera una serie de estructuras desde el cristal hasta la solución verdadera. Con algunas combinaciones, las mesofases polimórficasformadas mostrarán empaquetamiento molecular laminar (empaquetamiento en capas), empaquetamiento molecular cúbico, y empaquetamiento molecular hexagonal.
Jabones y detergentes dan cristales líquidos liotrópicos cuando se combinan con agua. Lo que es más importante es que las membranas biológicas muestran comportamiento de cristal líquido liotrópico.
3.2.1. MICELAR
A bajas concentraciones, la solución parece como cualquier otra, partículas de soluto distribuidas de forma aleatoria por toda el agua. Cuando la concentración se hace lo suficientemente elevada, las moléculas comienzan a ordenarse en esferas huecas, varillas, y discos llamados micelas.
La superficie de una micela es una capa de cabezas polares disueltas en agua, mientras que la parte interna está compuesta de colas hidrofóbicas separadas del agua por las cabezas hidrofílicas.
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Micela esférica              Sección transversal

3.2.2.
BICAPA
Esta estructura tiene una doble capa de moléculas ordenadas como un sándwich con las cabezas polares ocupando el lugar del pan y las colas no polares como el relleno.
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Fase bicapa
3.2.3.
VESÍCULA
Las vesículas son bicapas que se han plegado en una estructura esférica tridimensional, una especie de micela con dos capas de moléculas. Las moléculas que forman vesículas normalmente tienen una cabeza y doble cola o cadena. Los lípidos que se encuentran en las membranas celulares forman espontáneamente vesículas cuando se encuentran en solución.
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Sección transversal de una vesícula

3.3.
POLÍMEROS
Los polímeros son una clasede materiales que constan de muchas moléculas pequeñas (llamadas monómeros) que se pueden unir para formar largas cadenas, conociéndose éstas como macromoléculas. Los enlaces químicos conectan los monómeros en el polímero. Un polímero típico puede incluir decenas de miles de monómeros. Debido a su gran tamaño, los polímeros se pueden clasificar como macromoléculas.
El monómero puede sólo constar de unos pocos átomos o su estructura puede ser más compleja. El número de monómeros posible es extremadamente grande, lo que significa que se pueden producir muchos polímeros diferentes.
Para describir una muestra de polímero, se debe exponer el grado de polimerización.
Los polímeros también pueden estar formados por una mezcla de dos tipos de monómeros dando lugar a un copolímero.
• Copolímero aleatorio: monómeros combinados de forma aleatoria.
• Copolímeros de bloque: monómeros que forman pequeñas secuencias.
• Copolímeros de injerto: unión de secuencias cortas de un monómero como cadenas laterales a una secuencia muy larga.
Existe un enorme número de monómeros, por lo que la combinación a elegir es aún mayor. Además, las diferentes formas de ser combinados los dos monómeros en un copolímero hace el número de copolímeros posible prácticamente ilimitado.
Los monómeros se pueden unir para formar un polímero de dos formas diferentes.
3.3.1. DE CADENA PRINCIPAL
Si los monómeros forman una única cadena alargada, resulta un polímero de cadena principal.
3.3.2. DE CADENA LATERAL
Si el monómero forma ramificaciones, se forma un polímero de cadena lateral.

3.4. DISCÓTICOS
En 1977,unos investigadores en la India descubrieron que las moléculas en forma de disco también forman fases del cristal líquido en la que el eje perpendicular al plano de la molécula tiende a orientarse a lo largo de una dirección específica. Estas fases y las moléculas que las forman se llaman cristales líquidos discóticos.
La fase discótica más simple se llama también fase nemática, debido a que hay orden de orientación pero no orden de posición.

4. USOS__________ ______ ____ _________

Los cristales líquidos se encuentran en los objetos más cotidianos desde calculadoras, relojes, ordenadores personales, televisores o en aplicaciones tan dispares como los cosméticos o tejidos resistentes al fuego. Al definir cristal líquido nos debemos remitir a los estados físicos de la materia: sólido, líquido y gaseoso. Una sustancia pasa de un estado a otro, gracias a regular la temperatura. Así, el hielo se transforma en agua líquida y está en vapor de agua. Pero hay casos en los que la transición de sólido a líquido no es directa, con un estado intermedio: el cristal líquido.

Los cristales líquidos presentan un comportamiento particular en el que confluyen orden molecular (anisotropía) y fluidez. Son, por ello, un objetivo interesante para la investigación, tanto básica como aplicada, en Ciencia de Materiales y Biología.

5. VENTAJAS Y DESVENTAJAS_____ _______ ______ ________

“ Las pantallas de plasma utilizan un gas, almacenado entre dos vidrios, que se ilumina mediante una carga eléctrica. Las de LCD poseen un cristal líquido que filtra la luz generada por la combustión de fósforo detrás de la pantalla mediante un sistema de retroalimentación. Los plasmasduraban inicialmente entre 25 y 30 mil horas, actualmente superan las 60 mil horas, una vida similar a los LCD, que rondan entre los 50 y 60 mil horas, antes de perder su brillo.

“ Otra importante característica es el ángulo de visión efectivo, que permite al espectador disfrutar de las imágenes en pantalla desde cualquier punto y no solo de frente. En los plasmas es de 160s mientras que en los LCD alcanza hasta los 180s.

“ En cuanto al color, los plasmas tienen mayor diversidad y precisión de color, brindando tonos más realistas. En tanto las imágenes en los LCD, poseen mejor contraste y colores más vivos, recreando imágenes impactantes.
“ Ambas tienen un perfil muy delgado, casi plano, y son muy ligeras comparadas a las pantallas CRT (tubos de rayos catódicos) de dimensiones similares.

“ Por encima de las 42 pulgadas, LCD y Plasma no compiten ya que ese territorio pertenece solo al Plasma ya que ofrece una mejor relación tamaño/precio.

“ Hay que tener en cuenta que el tamaño de la pantalla está en relación directa con las dimensiones de la habitación. Cada pulgada de pantalla wide (ancha) exige una distancia de 8cm entre el sillón y la tele. Para una tele de 42” el cálculo da 3 metros.

6. sLOS CRISTALES LIQUIDOS CONTAMINAN _________

Según un estudio realizado por DailyTech que reveló que el trifluoruro de nitrógeno (NF3) presente en los LCD puede tener efectos devastadores en el calentamiento global.

El NF3 sería un gas no considerado en los causantes del calentamiento global, pero podría causar hasta 17.000 veces más daño a nuestro planeta que el Dióxido de Carbono (CO2).

Los televisores con display de cristal líquido no es elúnico culpable, ya que este compuesto también es usado en semiconductores y diamantes sintéticos. Lamentablemente, el NF3 no fue considerado en el tratado de Kioto debido a que en ese momento no era usado ampliamente.

Ahora el NF3 es un notable ausente en el Protocolo, debido a la cada vez mayor expansión que están teniendo las pantallas de cristal líquido, en celulares, monitores de PC y televisores. Además, su uso en semiconductores es cada vez mayor. Según un estudio publicado en la revista Geophysical Research Letters el uso del trifluoruro de nitrógeno en 2009 podría llegar a las 8.000 toneladas métricas.

7. SOLUCIÓN POSIBLE_____ _______ ______ ______________

Bueno luego de habernos informado y discutido, llegamos a una muy complicada y a la vez muy simple solución, la cual sería que

aœ“ En primer lugar, nosotros hemos pensado en dejar de comprar productos que contengan cristales líquidos, pero, ello sería la decisión más fácil y rápida que se puede tomar, pero aun así, estaríamos yendo contra la globalización, por lo que resultaría muy complicado y demasiado difícil.
Aun así, la única solución a este problema seria, la creación de un nuevo producto que pueda remplazar el NF3, o minimizar a gran escala los daños que produce en el medio ambiente. Esto, sin duda, sería un gran reto en las ingenieras existentes y sobre todo en la química.

“ En segundo lugar sería divulgar el daño que causa su uso.
Hacer en lo posible que el producto o artefacto que libere NF3, sea penado, puesto que es muchísimo más dañino que el CO2

8.
CONCLUSIONES__________ ______ ____ _

En conclusión los cristales líquidos, como hemos visto, tienenmultitud de propiedades y características que los hacen interesantes desde un punto de vista práctico. Es por ello que se encuentran en multitud de aparatos y dispositivos que se emplean en nuestra vida diaria.

La óptica de los cristales tiene mucho futuro en el desarrollo del sistema óptico, tanto en el ramo comercial, como en el terreno de la investigación, ya que un cristal líquido puede ser utilizado como modulador de fase o amplitud.

Gracias a las propiedades de los cristales líquidos se han permitido fabricar pantallas de TV extraordinariamente delgadas y hacen posible el desarrollo de ventanas o cortinas que con sólo accionar un interruptor se hacen transparentes o totalmente opacas.

Estos líquidos tan peculiares, son esenciales para fabricar nuevos materiales, entre ellos fibras de muy alta resistencia y son de gran utilidad en la recuperación del petróleo. Y como no olvidar Una de las primeras aplicaciones de los cristales líquidos fue en medicina, como herramienta analítica para medir las variaciones de temperatura. Desde entonces tienen aplicación en las ciencias de la salud, gracias a sus propiedades y características, tanto físicas como químicas. Así son útiles en termometría oral y cutánea, ginecología, neurología, oncología y pediatría, desempeñándose también en otros campos, que tal vez ni lo imaginábamos pero que siempre se encontrará presente cuando lo necesitemos.

9. BIBLIOGRAFIA__________ ______ ____ __

“ Ovejero. M. J. Mayoral. M. Cano. M. C. Laguna., J. Organomet. Chem. Química. Vol. 692. 2007. Págs. 1690 – 1697.

“ Chang, Raymond. College, Williams. Química. Séptima Edición. Mc. Graw-Hill. 2002. Págs.





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