Cristales líquidos: Liotrópico sLos cristales líquidos liotrópicos son sustancias que están constituidas por moléculas anfílicas o anfipáticas, que a su vez son aquellas que poseen un extremo hidrofílico (que es soluble en agua) y otro hidrófobo (que no se disuelva en agua), tales como ácidos grasos, aminas, alcoholes de cadena larga ya que están enlazadas a las moléculas de tensoactivos mediante fuerzas intermolecular como Van der Waals y puente de hidrógeno, su característica principal es que para una temperatura fija, este CL ( cristal liquido) aparece en un intervalo de concentración. La palabra liotropía proviene del latín lyo, que significa desleír, es decir, disolver en un líquido. Se clasifican en fases liotrópicas de formulación hexagonal normal e inversa, cúbicas y laminar. La fase hexagonal se subdivide en otras dos fases, la hexagonal normal y la hexagonal inversa. La hexagonal normal está formada por micelas con forma cilíndrica como la mostrada a continuación. En este tipo fase liotrópica se evidencia su comportamiento polar-apolar, ya que en la superficie, tiene comportamiento polar y en su interior es apolar. Su estructura se base en el empaquetamiento en forma hexagonal de de estos cilindros que tienen agua en una fase continua, lo que ocupa los espacios vacios entre los cilindros. Los cristales líquidos pertenecientes a esta categoría se caracterizan por no fluir bajola acción de la gravedad, pero si se los somete a un esfuerzo de corte suficientemente grande, lo hacen plásticamente. A pesar de su alta viscosidad, contienen una proporción de tensoactivomenor que la fase laminar. La fase hexagonal inversa se constituye por grupos polares de moléculas anfipáticas y cadenas hidrocarbonadas que ocupan el espacio vacío del volumen que lo conforma, de manera similar a los alcanos líquidos. Este tipo de estructura se halla fácilmente en fosfolípidos como los de las fosfatidiletanonamina que tienen grupos polares
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La curvatura media en un punto de una superficie se define de la siguientemanera:
( )
Donde R1 y R2 son los radios de curvatura máximo y mínimo en dosdirecciones perpendiculares entre sí. Las inversas de esos radios son lascurvaturas principales (c1 y c2). La curvatura es una magnitud vectorial y, por lotanto, puede ser positivo o negativo, que se fija arbitrariamente. En el caso deagregados de sustancias anfílicas, el valor positivo se obtiene cuando la partehidrofílica forma una superficie convexa al ser observada desde la zona lipofílica,mientras que si esa superficie es cóncava, el signo es negativo.
La curvatura de Gauss (K ) está dada por la siguiente expresión:
En la fase laminar, los dos radios de curvatura son infinitamente grandes ytanto la curvatura media como la gaussiana son iguales a cero.
En el caso de los cilindros que forman la fase hexagonal, un radio decurvatura es el del cilindro (r ) mientras que el otro es infinitamente grande. Por lo
tanto, en esta fase, la curvatura media es igual a
, mientras que la de Gauss es
nula. Para lasesferas de la fase cúbica micelar los dos radios de curvatura soniguales al radio r de la esfera. Por lo tanto, la curvatura media es igual a
y la
gaussiana
. En cuanto a las fases inversas, la curvatura media tiene signo
negativo.
Parámetro de orden
Esta es una característica que se presenta tanto de los CL liotrópicos comotermotrópicos y determina la orientación que tienen las moléculas respecto a uneje común al que se denomina director y que se representa mediante un vector
unitario.
En la fase laminar, Lα, el director es, en teoría, perpendicular a las capas. En lafase hexagonal, el vector que representa al director es perpendicular a lasuperficie lateral de los cilindros y corresponde a la orientación promedio de lascadenas hidrocarbonadas ubicadas sobre una línea ubicada en la superficie decada cilindro paralela a su eje.
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El parámetro de orden se representa como según la IUPAC, y sedefine de esta forma:
Donde β es el ángulo entre el eje de simetría molecular y el director, y el símbolo <>indica el promedio general.
Mientras que en la fase laminar las cadenas hidrocarbonadas poseen undesorden similar al de los hidrocarburos líquidos, en una fase gel ideal, todas lascadenas hidrocarbonadas estarían igualmente orientadas y, por lo tanto, el valor delángulo sería igual a cero y el parámetro de orden tomaría el valor 1, lo que indicaun ordenamiento perfecto de las cadenas hidrocarbonadas.
Difracción de Rayos X
La difracción de rayos X en pequeño ángulo da información sobre la estructura decada una de las fases líquidos cristalinos. La diferencia con las técnicas dedifracción de rayos X convencionales es el reducido valor del ángulo () entre ladirección del haz de rayos X incidente y los planos que producen la difracción. Losbajos valores de estos ángulos son una consecuencia de que las distancias (a lasque se denominan espaciados) entre los planos cristalinos de una misma familia (d )son apreciablemente mayores en los cristales líquidos que en la mayoría de lossólidos cristalinos. En efecto, por la ley de Bragg, el seno del ángulo de difracciónes inversamente proporcional al espaciado.
=
En la ecuación de Bragg, n toma valores enteros positivos comenzando por 1 y sedenomina orden de la difracción. Para un mismo espaciado, el seno del ángulo esdirectamente proporcional al orden de la difracción.
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Los cuerpos anisotrópicos, tales como las fases líquido cristalinas nocúbicas, presentan el fenómeno de la birrefringencia o doble refracción: un rayode luz incidente se divide
en otros dos que estánpolarizadosperpendicularmente entresí. Si el rayo de luz incideparalelamente a unacierta línea, el ejeóptico, ocurre unarefracción sencilla y nodoble. Los cuerpos quetienen un solo eje ópticose denominan uniáxicos o
uniaxiales, mientras quelos biáxicos (o biaxiales)son los que poseen dosejes ópticos. En loscuerpos uniáxicospositivos, el índice derefracción es máximo enla dirección del ejeóptico, mientras que en los negativos es mínimo. En los cristales uniáxicos, elíndice de refracción es constante para uno de los rayos, el ordinario, pero para elotro, el extraordinario, depende de la dirección de propagación de la luz en el
material.
El fenómeno de la doble refracción es responsable de la imagen almicroscopio polarizante, a la que se denomina textura óptica, que se observa alcruzar los polarizadores. La textura óptica se debe a la orientación superficial delos directores en los límites de la muestra y a los defectos en su estructuracristalina.
Propiedades ópticas de la fase laminar
La fase laminar tiene la propiedad de formar un cristal uniáxico, es decir de
monorrefringencia en su eje óptico perpendicular a las capas. A esta zona delcristal líquido se le conoce como dominio, y es la región de una fase líquida quepoco un solo vector director.
Cuando dos capas se disponen paralelamente al porte y cubre objeto, el ejeóptico queda paralelo al del microscopio. Esta alineación en la que el vectordirector forma un angulo perpendicular con las capas paralelas, se le conoce comohemeotrópico. En este alineamiento el cristal líquido solo muestramonorrefringencia, es decir solo difracta una imagen del rayo de luz, y no dos
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como se espera por propiedad de este tipo de cristal líquido. Esta propiedad solose da cuando tiene una textura de burbujar o gotitas.
En otro tipo de textura que presenta la fase laminar, tales como cónicofocales, en esta textura, su propia forma de las capas crean un encorvamiento en
la fase laminar, minimizan la tensión e impiden la formación de una disposiciónuniaxial.
Un autor conocido como Rosevear creó una clasificación para las distintastexturas existentes. Las texturas cónicas focales las dividió en texturas debidas altipo de unidades y texturas compuestas. A las primeras, se les dividió en unidadespositivas, negativas y con forma de abanico. Las unidades positivas y negativasson las que dan cruces de extinción que corresponden, respectivamente, aestructuras uniáxicas positivas y negativas.
Dentro de las texturas compuestas se encontraban los mosaicos, líneas
oleosas, bordes birrefringentes y terrazas, con forma de abanico.
Las texturas mosaico tienen una forma como lasde la imagen a la derecha del texto, se parecen a laregión policristalina de un material completamentecristalizado. Sin embargo, mientras que en estos últimosse observan discontinuidades entre granos, en la faselaminar se presenta una transición gradual desde unaunidad a la siguiente. Esta particularidad permitediferenciarla de la fase hexagonal, este tipo de texturarepresenta el máximo grado de desorden a nivel
microscópico de la fase laminar.
Las líneas oleosas también tienen unparecido con la región policristalina yse ponen en evidencia al agitar lamasa líquido cristalina o por otra causaque produzca una orientación lineal.Así, por ejemplo, se observan comoconsecuencia del paso de una burbujade aire a través de una masa contextura uniaxial. Estas constituyen laestructura ideal compuesta de capasplanas y paralelas en dominios y
aparece como largas bandas con una compleja estructura interna.
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