Este documento describe los cristales líquidos, que son un cuarto estado de agregación de la materia que presenta propiedades de orden orientacional como los cristales y fluidez como los líquidos. Explica que los cristales líquidos se pueden clasificar en termótropos y liótropos, y describe varias mesofases como nemática, esméctica y colestérica. También discute aplicaciones de los cristales líquidos en pantallas planas y termómetros, y cómo se pueden controlar mediante fuerzas externas.

1. Cristales líquidos:
algo más que pantallas planas
Luis Oriol
Zaragoza, 21 de mayo de 2007

2. CRISTALES LÍQUIDOS:
CRISTALES LÍQUIDOS:
algo más que pantallas planas
algo más que pantallas planas

3. ¿Cristal Líquido?
¿Cristal Líquido?
¿qué es?
¿dónde está?
¿qué función tiene?
y sobre todo, qué tiene ver un CRISTAL con un LIQUIDO

4. ESTADOS DE LA MATERIA
ESTADOS DE LA MATERIA
SÓLIDO
Aumento Tª
Punto de fusión
LÍQUIDO Garantía de pureza
Punto de ebullición
GASEOSO
Identificación de un
compuesto
¿ Existen otros estados de agregación de la materia ?

5. Primer documento escrito en el que se describe un cristal líquido:
Primer documento escrito en el que se describe un cristal líquido:
Carta de Reinitzer (Botánico Austriaco) a Lehmann en el año 1888
Carta de Reinitzer (Botánico Austriaco) a Lehmann en el año 1888
“Encouraged be Dr. V. Zepharowich (Prof. Of Mineralogy at Vienna). I
venture to ask you to investigate somewhat closer the physical isomerism of the two
enclosed substances. Both substances show such stricking and beautiful
phenomena that I can hopefully expect that thay will also interest you to a high
degree…
The substance has two melting points if it can be expressed in such a
manner. At 145 °C it melts to a cloudy but fully liquid melt which at 178 °C suddenly
becomes completely clear.
C 145°C ? 178 °C I
R

6. Primer documento escrito en el que se describe un cristal líquido:
Primer documento escrito en el que se describe un cristal líquido:
Carta de Reinitzer (Botánico Austriaco) a Lehmann en el año 1888
Carta de Reinitzer (Botánico Austriaco) a Lehmann en el año 1888
“On cooling a violet and blue colour phenomenon appears, which then
quickly diappears leaving the substance cloudy but still liquid. On further cooling the
violet and blue colouration appears again and immediately afterwards the substance
solidifies to a white crystalline mass. The cloudiness on cooling is caused by the star
shaped aggregate. On melting of the solid the cluodiness is caused not by crystals
but by a liquid which forms oily streaks in the melt.”

7. ¿Qué entendemos por Cristal Líquido?
¿Qué entendemos por Cristal Líquido?
√ Estado de la materia intermedio entre las fases sólida y líquida.
√ Las partículas constituyentes (moléculas) presentan una fase
fluida (líquido) con orden orientacional, pero no posicional.
A estas fases se les llama fase cristal líquido o mesofase.
√ Son fases uniformes (el estado cristal líquido es un estado único)
que comparten propiedades
del cristal: anisotropía y
del líquido: fluidez
CUARTO ESTADO DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA
POR EXTENSIÓN A LOS COMPUESTOS QUE PRESENTAN ESTAS FASES
SE LES DENOMINA CRISTALES LÍQUIDOS

8. CRISTAL LÍQUIDO:
CRISTAL LÍQUIDO:
CUARTO ESTADO DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA
CUARTO ESTADO DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA
LÍQUIDO ó
CRISTAL CRISTAL LÍQUIDO DISOLUCIÓN
ISÓTROPOS
orden posicional
orden orientacional
orden orientacional
Anisotropía
Anisotropía Fluidez Fluidez
movilidad
orden

9. TIPOS DE CRISTALES LÍQUIDOS
TIPOS DE CRISTALES LÍQUIDOS
TERMÓTROPOS LIÓTROPOS
√ la MESOFASE se presenta en un √ la MESOFASE se presenta en una
compuesto puro o mezcla al calentar y/o disolución a concentraciones
enfriar (por temperatura) y temperaturas definidas
Aplicaciones electroópticas Aplicaciones biológicas
ANFÓTROPOS
Presentan ambos tipos de comportamiento

10. CRISTALES LÍQUIDOS TERMÓTROPOS
CRISTALES LÍQUIDOS TERMÓTROPOS
¿Cómo se obtiene la mesofase?
¿Cómo se obtiene la mesofase?
Por calefacción del sólido o enfriamiento a partir del líquido isótropo
CRISTAL O PF PA
MESOFASES LÍQUIDO
SÓLIDO AMORFO PS ISÓTROPO
Punto de Fusión
Punto de Aclaramiento
E
n
e
C M1 I calentamiento
r
g C M2 M1 I enfriamiento
Í
a M1 Mesofase Enantiótropa
Punto de Solidificación M2 Mesofase Monótropa
Temperatura

11. CRISTALES LÍQUIDOS TERMÓTROPOS:
CRISTALES LÍQUIDOS TERMÓTROPOS:
Moléculas con ANISOTROPÍA de forma
Moléculas con ANISOTROPÍA de forma
a
a = b << c a
a = b >> c
c
O
O
c O
b O
O
O
C N b
CALAMÍTICOS DISCÓTICOS

12. MESOFASES CALAMÍTICAS AQUIRALES
MESOFASES CALAMÍTICAS AQUIRALES
N SmA SmC
^ ^ ^ ^
n n z z
^
n
NEMÁTICA ESMÉCTICAS

13. MESOFASES DISCÓTICAS AQUIRALES
MESOFASES DISCÓTICAS AQUIRALES
ND Colh Colr
NEMÁTICA COLUMNARES

14. MESOFASES CALAMÍTICAS
MESOFASES CALAMÍTICAS SmC*
QUIRALES
QUIRALES
quiralidad formal: macroestructura helicoidal
^
Ch n
(N*)
^
paso n
de
hélice
“p”
COLESTÉRICA o N * ESMÉCTICA C QUIRAL

15. CRISTALES LÍQUIDOS LIÓTROPOS
CRISTALES LÍQUIDOS LIÓTROPOS
¿Cómo se obtiene la mesofase?
¿Cómo se obtiene la mesofase?
La mesofase se obtiene por disolución de uno o varios compuestos a
unas concentraciones determinadas en un disolvente o en un sistema
de disolventes.
Aparecen implicadas tres variables:
- Número de componentes
- Concentración de cada uno de ellos
- Temperatura
Tiene gran interés en Biología y
Bioquímica:
- Teorías sobre biomembranas y liposomas
- Aparecen en numerosas estructuras celulares
Tiene gran interés industrial:
- Productos tensioactivos (Detergentes, ...)
- Polímeros industriales (Kevlar, ...)

16. CRISTALES LÍQUIDOS LIÓTROPOS
CRISTALES LÍQUIDOS LIÓTROPOS
Modelos Moleculares
Modelos Moleculares
O
N -O
+
a
Compuestos anfifílicos
ND L(G)
LAMINAR
micela NEMÁTICA
discoidal DISCÓTICA
HC
NC
micela NEMÁTICA COLUMNAR
cilíndrica COLUMNAR HEXAGONAL

17. POLÍMEROS CRISTAL LÍQUIDO
POLÍMEROS CRISTAL LÍQUIDO
MACROMOLÉCULAS QUE PRESENTAN FASE CRISTAL LÍQUIDO
¿Cómo conseguir polímeros cristal líquido?
CADENA LATERAL
cadena de
polímero
O
CADENA PRINCIPAL O
espaciador
mesógeno
O
O O
H H
C C N N
C
N

18. TÉCNICAS GENERALES DE CARACTERIZACIÓN DE
TÉCNICAS GENERALES DE CARACTERIZACIÓN DE
CRISTALES LÍQUIDOS
CRISTALES LÍQUIDOS
√ Microscopia óptica con platina calefactora
√ Métodos calorimétricos
√ Difracción de rayos X
√ Pruebas de miscibilidad

19. MICROSCOPÍA ÓPTICA CON LUZ POLARIZADA
MICROSCOPÍA ÓPTICA CON LUZ POLARIZADA
ocular
POLARIZADORES CRUZADOS
analizador No desvía el plano
Sin muestra No hay paso de luz
de polarización
objetivo
Muestra No desvía el plano
isótropa de polarización No hay paso de luz
muestra de CL
Muestra Desvía el plano
Hay paso de luz
condensador anisótropa de polarización
polarizador Muestra No desvía el plano
homeótropa de polarización No hay paso de luz
colector
fuente de luz

20. TEXTURAS Y DEFECTOS
TEXTURAS Y DEFECTOS
Textura: aspecto de una fina capa de cristal líquido observado por medio
del microscopio con luz polarizada.
Cada mesofase muestra unas texturas características cuando se observa en el
microscopio de luz polarizada.
Si no existe una ordenación forzada (eléctrica, magnética o mecánicamente) la
mesofase se ordena en microdominios.
Microdominios ordenados
Microdominios ordenados
Los defectos están estabilizados en las
paredes de los microdominios

21. Observación
Observación
de un CLN al
de un CLN al
microscopio.
microscopio. Cristal
Proceso de
Proceso de
calentamiento
calentamiento
sin polarizadores polarizadores cruzados polarizadores cruzados
Aumento temperatura
N N N
sin polarizadores polarizadores cruzados
N
Líquido isótropo

22. sin polarizadores polarizadores cruzados
Observación
Observación
de un CLN al
de un CLN al
microscopio.
microscopio.
Proceso de
Proceso de
enfriamiento
enfriamiento
Líquido isótropo
polarizadores cruzados polarizadores cruzados polarizadores cruzados
Disminución temperatura
N N N
polarizadores cruzados polarizadores cruzados sin polarizadores
N
CRISTAL

23. ¿ES POSIBLE “CONTROLAR” LA ORIENTACIÓN DE
¿ES POSIBLE “CONTROLAR” LA ORIENTACIÓN DE
LOS CRISTALES LÍQUIDOS
LOS CRISTALES LÍQUIDOS
Multidominios Monodominio
La aplicación de fuerzas mecánicas, eléctricas, magnéticas, etc.
permite orientar a los CLs y modificar su orientación
planar homeótropa

24. DISPOSITIVOS ELECTROÓPTICOS
DISPOSITIVOS ELECTROÓPTICOS
Aplicaciones
Aplicaciones

25. VISUALIZADORES BASADOS EN CRISTALES LÍQUIDOS
VISUALIZADORES BASADOS EN CRISTALES LÍQUIDOS
(Displays)
(Displays)
Polarizador
Vidrio
Electrodo transparente (ITO)
Material de alineamiento (PI)
CRISTAL LÍQUIDO
Polarizador

26. Un pixel de Cristal Líquido Twist AM-TFT
Un pixel de Cristal Líquido Twist AM-TFT
ESTADO TRANSMISOR ESTADO NO TRANSMISOR
POLARIZADOR
VIDRIO
CRISTAL
LÍQUIDO
NEMATICO
TRANSISTOR
VIDRIO
POLARIZADOR

27. Componentes de una Pantalla de CL
Componentes de una Pantalla de CL
Retroiluminación
Polarizador
Filtros de
Color
Pantalla Polarizador
distribuida
en filas y
columnas
Elementos ópticos
de corrección

28. APLICACIONES DE LOS CRISTALES LÍQUIDOS COLESTÉRICOS
APLICACIONES DE LOS CRISTALES LÍQUIDOS COLESTÉRICOS
^
n REFLEXIÓN SELECTIVA DE LA LUZ
1) De luz polarizada circularmente
paso LPL LPCI
de
hélice
“p” LPCD
2) De diferentes longitudes de onda
λ = nm p n λ = p cosθ
λ : longitud de onda reflejada
nm : 1/2 (ne + no)
Posibilidad de reflejar p : paso de hélice
luz de diferente λ variando θ : ángulo de incidencia
n : número entero

29. APLICACIONES DE LOS CRISTALES LÍQUIDOS COLESTÉRICOS
APLICACIONES DE LOS CRISTALES LÍQUIDOS COLESTÉRICOS
^
n
El paso de hélice (p) puede modificarse por acción de:
a) sustancias extrañas Detectores de contaminación
paso
de
hélice b) la presión Dispositivos acústicos:
“p” detección de ultrasonidos
Dispositivos piezoeléctricos
c) la temperatura TERMOINDICADORES

30. ESQUEMA DE UN TERMOINDICADOR
ESQUEMA DE UN TERMOINDICADOR
Luz incidente Luz reflejada
Cubierta
Capa de cristal líquido Ch
Soporte de la capa
Capa negra absorbente
Cuando la luz blanca incide sobre la lámina de cristal líquido, algunos colores son
reflejados mientras otros son transmitidos.
La capa negra absorbe la luz que no se refleja para evitar nuevas reflexiones que
podrían sumarse a la luz reflejada por el C.L.
Según sea la longitud de onda del máximo de reflexión se observa un color u otro:
550 nm: verde, 620 nm: anaranjado, 690 nm: rojo.
Este máximo depende del paso de hélice (p) y p = f(T).
EXISTE, POR LO TANTO, UNA RELACIÓN DIRECTA ENTRE EL COLOR REFLEJADO
Y LA TEMPERATURA.

31. Termómetro comercial de cristal líquido colestérico
Termómetro comercial de cristal líquido colestérico
luz visible ( λ = n p)
luz blanca luz blanca
18ºC 24ºC
Las variaciones de temperatura favorecen el paso de luz visible por una región
determinada de la lámina al variar el paso de hélice (p).

32. DISPOSITIVOS ELECTROÓPTICOS
DISPOSITIVOS ELECTROÓPTICOS
Cristales líquidos dispersos en polímeros
E
E=0 E=0
Orientación de Gotas orientadas.
las gotas nemáticas Transparente
al azar.
Dispersión de luz

33. DISPOSITIVOS ELECTROÓPTICOS
DISPOSITIVOS ELECTROÓPTICOS
Cristales líquidos dispersos en polímeros. Aplicaciones
on off
on off

34. FIBRAS DE KEVLAR
FIBRAS DE KEVLAR
¿Cuál es la relación con los CRISTALES LÍQUIDOS?
¿Cuál es la relación con los CRISTALES LÍQUIDOS?
Principales características:
- buena relación resistencia/peso
- alta rigidez
- resistencia a la fatiga
Aplicaciones
-Aeronáutica y automoción
-Navíos
-Equipos antibalas
-Artículos deportivos
- raquetas de tenis
- palos de golf
- cañas de pescar

35. FIBRAS DE KEVLAR:
FIBRAS DE KEVLAR:
PROVIENE DE UN POLÍMERO CRISTAL LÍQUIDO LIÓTROPO
PROVIENE DE UN POLÍMERO CRISTAL LÍQUIDO LIÓTROPO
O O
FASE NEMÁTICA
HN HN C C
EN ÁCIDO SULFÚRICO
n
O
O
NH
HN NH
N
O H
O
MACROMOLÉCULA RÍGIDA
CON ALTA RELACIÓN L/D
Armadía en el Amazonas
(Y. Arthus-Bertrand)

36. FIBRAS DE KEVLAR:
FIBRAS DE KEVLAR:
PROVIENE DE UN POLÍMERO CRISTAL LÍQUIDO LIÓTROPO
PROVIENE DE UN POLÍMERO CRISTAL LÍQUIDO LIÓTROPO
O O
FASE NEMÁTICA
HN HN C C
EN ÁCIDO SULFÚRICO
n
Orientación Hilera
Desorientación parcial
Hueco de aire
Reorientación
Eliminación del disolvente
en un baño acuoso

37. FIBRAS DE KEVLAR
FIBRAS DE KEVLAR
Fibra orientada
Macrofibrilla
Macrofibrilla
μm
55μm
Fibrilla:
0.5 μm Espesor:
2-3 nm
Microfibrilla
Anchura: 10-30 nm

38. FIBRAS DE ALTAS PRESTACIONES:
FIBRAS DE ALTAS PRESTACIONES:
N N
5
Resistencia tensil específica (MJ/kg)
O O
4
PBZO
N S
3 Spectra 1000 S N
Spectra 900
PBZT
Kevlar 49 Kevlar 149
Vectran
2 Fibra C (M60J)
Kevlar 29
Vidrio-S
1 Nylon Fibra C ( P100)
Acero
Aleación Al
70 140 210 280 350 420
Módulo tensil específico (MJ/kg)

39. PCLs DE CADENA PRINCIPAL TERMÓTROPOS
PCLs DE CADENA PRINCIPAL TERMÓTROPOS
O O
HN NH C C
O O
se descompone
O O C C antes de fundir a
mesofase
Poliésteres
menores interacciones intermoleculares

40. PCLs DE CADENA PRINCIPAL TERMÓTROPOS:
PCLs DE CADENA PRINCIPAL TERMÓTROPOS:
VECTRA (HOESCHT-CELANESE)
VECTRA (HOESCHT-CELANESE)
O
O O
C
C C O O O
TA HQ HNA
Punto de fusión (ºC)
360
340
Nemático
320
300
280
260
0 20 40 60 80
% Mol de HNA

42. ALMACENAMIENTO DIGITAL
ALMACENAMIENTO DIGITAL
Aplicaciones: ALMACENAMIENTO ÓPTICO DE INFORMACIÓN
Se buscan: Sistemas de almacenamiento de datos de gran
capacidad, con un acceso rápido a la información y con un
reducido coste

43. ALMACENAMIENTO DIGITAL
ALMACENAMIENTO DIGITAL
Aplicaciones: ALMACENAMIENTO ÓPTICO DE INFORMACIÓN
Almacenamiento digital (Gb)
(bits: unos y ceros)
Cambios locales de las
propiedades en una
superficie
Almacenamiento HOLOGRÁFICO (Tb)
¿ materiales ?
fotopolímeros
fotorrefractivos
fotocrómicos
http://www.inphase-technologies.com

44. ¿Qué puede aportar la capacídad auto-organizativa
¿Qué puede aportar la capacídad auto-organizativa
de la fase cristal líquido en
de la fase cristal líquido en
SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO ÓPTICO?
SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO ÓPTICO?
POLÍMEROS FOTODIRECCIONABLES CL DE
CADENA LATERAL
O
O (CH2)n O N
N X
grupos fotocrómicos AZOBENCENO

45. SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO HOLOGRÁFICO
SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO HOLOGRÁFICO
¿ Cuál es el origén de la modulación de índices en la red ?
20μm
(en la grabación en el azul el esquema sería similar con orientación perpendicular)

46. ¿MÁS APLICACIONES DE LOS CRISTALES LÍQUIDOS?
¿MÁS APLICACIONES DE LOS CRISTALES LÍQUIDOS?

47. MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIÓN

48. MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIÓN