Cristales líquidos: algo más que pantallas planas Luis Oriol Zaragoza, 21 de mayo de 2007
CRISTALES LÍQUIDOS: algo más que pantallas planas
CRISTALES LÍQUIDOS: CRISTALES LÍQUIDOS: algo más que pantallas planasalgo más que pantallas planas
¿Cristal Líquido?¿Cristal Líquido?¿Cristal Líquido?
¿dónde está?¿dónde está?¿qué función tiene?¿qué función tiene?
¿qué es?¿qué es?
y sobre todo, qué tiene ver uny sobre todo, qué tiene ver un CRISTAL CRISTAL con uncon un LIQUIDOLIQUIDO
ESTADOS DE LA MATERIAESTADOS DE LA MATERIA
GASEOSO
LÍQUIDO
SÓLIDOPunto de fusión
Punto de ebullición Garantía de pureza
Identificación de uncompuesto
¿ Existen otros estados de agregación de la materia ?
Aum
ento
Tª
“Encouraged be Dr. V. Zepharowich (Prof. Of Mineralogy at Vienna). I venture to ask you to investigate somewhat closer the physical isomerism of the twoenclosed substances. Both substances show such stricking and beautifulphenomena that I can hopefully expect that thay will also interest you to a highdegree…
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 suddenlybecomes completely clear.
Primer documento escrito en el que se describe un cristal líquido: Carta de Reinitzer (Botánico Austriaco) a Lehmann en el año 1888
Primer documento escrito en el que se describe un cristal líquido: Carta de Reinitzer (Botánico Austriaco) a Lehmann en el año 1888
C 145°C ? 178 °C I
R
“On cooling a violet and blue colour phenomenon appears, which thenquickly diappears leaving the substance cloudy but still liquid. On further cooling theviolet and blue colouration appears again and immediately afterwards the substancesolidifies to a white crystalline mass. The cloudiness on cooling is caused by the starshaped aggregate. On melting of the solid the cluodiness is caused not by crystalsbut by a liquid which forms oily streaks in the melt.”
Primer documento escrito en el que se describe un cristal líquido: Carta de Reinitzer (Botánico Austriaco) a Lehmann en el año 1888
Primer documento escrito en el que se describe un cristal líquido: Carta de Reinitzer (Botánico Austriaco) a Lehmann en el año 1888
¿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 fasefluida (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 FASESSE LES DENOMINA CRISTALES LÍQUIDOS
orden posicionalorden orientacional
CRISTALLÍQUIDO ó
DISOLUCIÓNISÓTROPOS
Anisotropía Fluidez
CRISTAL LÍQUIDO: CUARTO ESTADO DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA
CRISTAL LÍQUIDO: CUARTO ESTADO DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA
movilidad
orden
CRISTAL LÍQUIDO
orden orientacional
AnisotropíaFluidez
LIÓTROPOS
√ la MESOFASE se presenta en unadisolución a concentraciones
y temperaturas definidas
TIPOS DE CRISTALES LÍQUIDOSTIPOS DE CRISTALES LÍQUIDOS
TERMÓTROPOS
√ la MESOFASE se presenta en un compuesto puro o mezcla al calentar y/o
enfriar (por temperatura)
ANFÓTROPOSPresentan ambos tipos de comportamiento
Aplicaciones electroópticas Aplicaciones biológicas
Por calefacción del sólido o enfriamiento a partir del líquido isótropo
CRISTAL O SÓLIDO AMORFO MESOFASES LÍQUIDO
ISÓTROPO
PF
PS
PA
C M1 I
Punto de AclaramientoPunto de Fusión
M2 M1 IC
Temperatura
EnergÍa
calentamiento
enfriamiento
Punto de SolidificaciónM1 Mesofase EnantiótropaM2 Mesofase Monótropa
CRISTALES LÍQUIDOS TERMÓTROPOS¿Cómo se obtiene la mesofase?
CRISTALES LÍQUIDOS TERMÓTROPOS¿Cómo se obtiene la mesofase?
b
DISCÓTICOS
a
c
a = b >> c
OO
OO
O
O
a
CALAMÍTICOS
a = b << c
cc
b
CRISTALES LÍQUIDOS TERMÓTROPOS:Moléculas con ANISOTROPÍA de forma
CRISTALES LÍQUIDOS TERMÓTROPOS:Moléculas con ANISOTROPÍA de forma
C N
MESOFASES CALAMÍTICAS AQUIRALESMESOFASES CALAMÍTICAS AQUIRALES
NEMÁTICA
N
n^
ESMÉCTICAS
SmA SmC
n zn
z
COLESTÉRICA o N *
Ch (N*)
n
pasode
hélice“p”
SmC*
ESMÉCTICA C QUIRAL
n
MESOFASES CALAMÍTICASQUIRALES
MESOFASES CALAMÍTICASQUIRALES
quiralidad formal: macroestructura helicoidal
CRISTALES LÍQUIDOS LIÓTROPOS¿Cómo se obtiene la mesofase?
CRISTALES LÍQUIDOS LIÓTROPOS¿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 industrial:- Productos tensioactivos (Detergentes, ...)
- Polímeros industriales (Kevlar, ...)
Tiene gran interés en Biología y Bioquímica:
- Teorías sobre biomembranas y liposomas- Aparecen en numerosas estructuras celulares
CRISTALES LÍQUIDOS LIÓTROPOSModelos Moleculares
CRISTALES LÍQUIDOS LIÓTROPOSModelos Moleculares
-O
O
Na+
Compuestos anfifílicos
miceladiscoidal
L(G)ND
NEMÁTICADISCÓTICA
LAMINAR
micelacilíndrica
NCHC
COLUMNAR HEXAGONAL
NEMÁTICA COLUMNAR
POLÍMEROS CRISTAL LÍQUIDOPOLÍMEROS CRISTAL LÍQUIDO
MACROMOLÉCULAS QUE PRESENTAN FASE CRISTAL LÍQUIDO¿Cómo conseguir polímeros cristal líquido?
O
O
O
C
N
cadena de polímero
espaciador
mesógeno
CADENA LATERAL
CADENA PRINCIPAL
C CHN
OHN
O
TÉCNICAS GENERALES DE CARACTERIZACIÓN DE CRISTALES LÍQUIDOS
TÉCNICAS GENERALES DE CARACTERIZACIÓN DE CRISTALES LÍQUIDOS
√ Microscopia óptica con platina calefactora
√ Métodos calorimétricos
√ Difracción de rayos X
√ Pruebas de miscibilidad
Sin muestra No hay paso de luzNo desvía el planode polarización
Muestra isótropa No hay paso de luz
No desvía el planode polarización
Muestra homeótropa No hay paso de luz
No desvía el planode polarización
Muestra anisótropa Hay paso de luzDesvía el plano
de polarización
POLARIZADORES CRUZADOS
fuente de luz
polarizador
condensador
muestra de CL
colector
objetivo
analizador
ocular
MICROSCOPÍA ÓPTICA CON LUZ POLARIZADAMICROSCOPÍA ÓPTICA CON LUZ POLARIZADA
TEXTURAS Y DEFECTOSTEXTURAS Y DEFECTOSTextura: 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 ordenadosMicrodominios ordenados
Los defectos están estabilizados en las paredes de los microdominios
CristalObservación de un CLN al microscopio.Proceso de
calentamiento
Observación de un CLN al microscopio.Proceso de
calentamiento
Aum
ento
tem
pera
tura
sin polarizadores
Líquido isótropo
sin polarizadores
N
polarizadores cruzados
N
polarizadores cruzados
N
polarizadores cruzados
N
Observación de un CLN al microscopio.Proceso de
enfriamiento
Observación de un CLN al microscopio.Proceso de
enfriamiento
Dis
min
ució
n te
mpe
ratu
rasin polarizadores polarizadores cruzados
Líquido isótropopolarizadores cruzados
N
polarizadores cruzados
N
polarizadores cruzados sin polarizadores
CRISTAL
polarizadores cruzados
N
polarizadores cruzados
N
¿ES POSIBLE “CONTROLAR” LA ORIENTACIÓN DE LOS CRISTALES LÍQUIDOS
¿ES POSIBLE “CONTROLAR” LA ORIENTACIÓN DE LOS CRISTALES LÍQUIDOS
Multidominios Monodominio
La aplicación de fuerzas mecánicas, eléctricas, magnéticas, etc. permite orientar a los CLs y modificar su orientación
planar homeótropa
VISUALIZADORES BASADOS EN CRISTALES LÍQUIDOS(Displays)
VISUALIZADORES BASADOS EN CRISTALES LÍQUIDOS(Displays)
Vidrio
Electrodo transparente (ITO)
Material de alineamiento (PI)
Polarizador
Polarizador
CRISTAL LÍQUIDO
Un pixel de Cristal Líquido Twist AM-TFTUn Un pixelpixel de Cristal Líquido de Cristal Líquido TwistTwist AMAM--TFTTFT
ESTADO TRANSMISOR ESTADO NO TRANSMISOR
POLARIZADOR
VIDRIO
POLARIZADOR
VIDRIO
TRANSISTOR
CRISTALLÍQUIDONEMATICO
Componentes de una Pantalla de CLComponentes de una Pantalla de CLComponentes de una Pantalla de CL
Retroiluminación
Filtros deColor
Polarizador
Polarizador
Pantalladistribuidaen filas ycolumnas
Elementos ópticosde corrección
APLICACIONES DE LOS CRISTALES LÍQUIDOS COLESTÉRICOSAPLICACIONES DE LOS CRISTALES LÍQUIDOS COLESTÉRICOS
REFLEXIÓN SELECTIVA DE LA LUZ
1) De luz polarizada circularmente
LPL LPCI
LPCD
2) De diferentes longitudes de onda
λ = nm p n λ = p cosθ
Posibilidad de reflejar luz de diferente λ variando
λ : longitud de onda reflejadanm : 1/2 (ne + no)p : paso de héliceθ : ángulo de incidencian : número entero
n
pasode
hélice“p”
b) la presión Dispositivos acústicos: detección de ultrasonidos
Dispositivos piezoeléctricos
El paso de hélice (p) puede modificarse por acción de:
a) sustancias extrañas Detectores de contaminación
c) la temperatura TERMOINDICADORES
APLICACIONES DE LOS CRISTALES LÍQUIDOS COLESTÉRICOSAPLICACIONES DE LOS CRISTALES LÍQUIDOS COLESTÉRICOS
n
pasode
hélice“p”
Capa negra absorbente
Capa de cristal líquido ChSoporte de la capa
Cubierta
Luz incidente Luz reflejada
ESQUEMA DE UN TERMOINDICADORESQUEMA DE UN TERMOINDICADOR
Cuando la luz blanca incide sobre la lámina de cristal líquido, algunos colores sonreflejados 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 REFLEJADOY LA TEMPERATURA.
Termómetro comercial de cristal líquido colestéricoTermómetro comercial de cristal líquido colestérico
Las variaciones de temperatura favorecen el paso de luz visible por una regióndeterminada de la lámina al variar el paso de hélice (p).
18ºC 24ºC
luz visible ( λ = n p)
luz blanca luz blanca
DISPOSITIVOS ELECTROÓPTICOSDISPOSITIVOS ELECTROÓPTICOS
E = 0Orientación de
las gotas nemáticasal azar.
Dispersión de luz
E = 0Gotas orientadas.
Transparente
E
Cristales líquidos dispersos en polímeros
DISPOSITIVOS ELECTROÓPTICOSDISPOSITIVOS ELECTROÓPTICOS
Cristales líquidos dispersos en polímeros. Aplicaciones
on
on off
off
Aplicaciones
Principales características:- buena relación resistencia/peso- alta rigidez- resistencia a la fatiga
-Aeronáutica y automoción-Navíos-Equipos antibalas-Artículos deportivos
- raquetas de tenis- palos de golf- cañas de pescar
FIBRAS DE KEVLAR ¿Cuál es la relación con los CRISTALES LÍQUIDOS?
FIBRAS DE KEVLAR ¿Cuál es la relación con los CRISTALES LÍQUIDOS?
CC
O
HN
O
HN
n
FIBRAS DE KEVLAR:PROVIENE DE UN POLÍMERO CRISTAL LÍQUIDO LIÓTROPO
FIBRAS DE KEVLAR:PROVIENE DE UN POLÍMERO CRISTAL LÍQUIDO LIÓTROPO
FASE NEMÁTICAEN ÁCIDO SULFÚRICO
O
HNNH
O
O
NH
NH
O
MACROMOLÉCULA RÍGIDACON ALTA RELACIÓN L/D
Armadía en el Amazonas (Y. Arthus-Bertrand)
FIBRAS DE KEVLAR:PROVIENE DE UN POLÍMERO CRISTAL LÍQUIDO LIÓTROPO
FIBRAS DE KEVLAR:PROVIENE DE UN POLÍMERO CRISTAL LÍQUIDO LIÓTROPO
Hilera
Hueco de aireDesorientación parcial
Reorientación
Orientación
Eliminación del disolvente en un baño acuoso
CC
O
HN
O
HN
n
FASE NEMÁTICAEN ÁCIDO SULFÚRICO
FIBRAS DE KEVLARFIBRAS DE KEVLAR
Fibra orientada
Espesor:2-3 nm
Anchura: 10-30 nm
Fibrilla:0.5 μm
Microfibrilla
Macrofibrilla5 μm
Macrofibrilla5 μm
FIBRAS DE ALTAS PRESTACIONES:FIBRAS DE ALTAS PRESTACIONES:
70 140 210 280 350 420
1
2
3
4
5
Módulo tensil específico (MJ/kg)
Res
iste
ncia
tens
iles
pecí
fica
(MJ/
kg)
Aleación Al
Nylon
Vidrio-SKevlar 29Vectran
Kevlar 49Spectra 900
PBZO
Fibra C ( P100)
Fibra C (M60J)
Spectra 1000PBZT
Kevlar 149
Acero
N
S N
S
N
O O
N
O O C
O
C
O
HN NH C
O
C
O
Poliésteresmenores interacciones intermoleculares
se descompone antes de fundir a mesofase
PCLs DE CADENA PRINCIPAL TERMÓTROPOSPCLs DE CADENA PRINCIPAL TERMÓTROPOS
C
O
O
C
O
C
O
O O
TA HQ HNA
0 20 40 60 80% Mol de HNA
260
280
300
320
340
360
Pu
nto
de
fusi
ón
(ºC
)
Nemático
PCLs DE CADENA PRINCIPAL TERMÓTROPOS:VECTRA (HOESCHT-CELANESE)
PCLs DE CADENA PRINCIPAL TERMÓTROPOS:VECTRA (HOESCHT-CELANESE)
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
ALMACENAMIENTO DIGITALALMACENAMIENTO DIGITAL
Aplicaciones: ALMACENAMIENTO ÓPTICO DE INFORMACIÓN
Almacenamiento digital (Gb)(bits: unos y ceros) Cambios locales de las propiedades en unasuperficie
Almacenamiento HOLOGRÁFICO (Tb)
¿ materiales ?
fotopolímeros
fotocrómicoshttp://www.inphase-technologies.com
fotorrefractivos
ALMACENAMIENTO DIGITALALMACENAMIENTO DIGITAL
OO
(CH2)n O NN X
¿Qué puede aportar la capacídad auto-organizativade la fase cristal líquido en
SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO ÓPTICO?
¿Qué puede aportar la capacídad auto-organizativade la fase cristal líquido en
SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO ÓPTICO?
POLÍMEROS FOTODIRECCIONABLES CL DECADENA LATERAL
grupos fotocrómicos AZOBENCENO
20μm
¿ Cuál es el origén de la modulación de índices en la red ?
(en la grabación en el azul el esquema sería similar con orientación perpendicular)
SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO HOLOGRÁFICOSISTEMAS DE ALMACENAMIENTO HOLOGRÁFICO