2.1. EL ESTADO GASEOSO

2. CRISTALES LÍQUIDOS. GENERALIDADES
Los científicos han estudiado los tres estados de la materia – gaseoso, líquido y
sólido – durante doscientos años. Se puede considerar el estado líquido cristalino como
el cuarto estado de la materia. La estructura líquida cristalina existe tanto en los
sistemas animados como en los inanimados. En los procesos de la vida, sus estructuras
se encuentran en las membranas celulares y en los tejidos del cuerpo. En el laboratorio
se pueden sintetizar por calentamiento de ciertas moléculas orgánicas (cristales líquidos
termotrópicos) y por mezcla de dos o más componentes (cristales líquidos liotrópicos).
Ciertos metales óxidos hidratados (por ejemplo, hierro, vanadio y molibdeno) forman
cristales líquidos en medios acuosos.
Cada sustancia posee fuerzas intermoleculares de algún tipo, de manera que a
cualquier temperatura, una sustancia existe en un estado específico de la materia. Los
científicos también usan la palabra fase para describir un estado específico de la materia
y alude al estado específico como la fase estable a esta temperatura. Por ejemplo, el
agua a 20ºC es estable en la fase líquida. El dióxido de carbono es estable en la fase
gaseosa a esta temperatura, y la sal (cloruro sódico) es estable en la fase sólida. Las
fuerzas intermoleculares son diferentes en estas tres sustancias, causando en cada caso
una fase diferente que es estable a la misma temperatura.
Cuando la temperatura se cambia de manera que la fase que era estable ahora no lo
es, la sustancia cambia de fase. El cambio de fase ocurre a una temperatura precisa
debido a que a esta temperatura la capacidad de las fuerzas intermoleculares para
provocar que la fase exista no es lo suficientemente fuerte. Se dice que ocurre una
transición de fase a esa temperatura. El cambio importante que tiene lugar en una
transición de fase es la cantidad de orden entre las moléculas de la sustancia.
2.1. EL ESTADO GASEOSO
En el estado gaseoso todo el espacio está ocupado por el gas. Debido a la energía
térmica, las moléculas de un gas están en continuo movimiento y colisionan
ocasionalmente unas con otras y con las paredes del recipiente que las contiene pero
rebotando al sistema sin pérdida de energía. Debido a la independencia de las partículas
de un gas, un gas se puede expandir en un volumen ilimitado. Por tanto, una
característica distintiva del estado gaseoso es que sus partículas (átomos o moléculas)
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son sustancialmente independientes unas de otras excepto durante colisiones
ocasionales.
2.2. EL ESTADO LÍQUIDO
El líquido toma la forma del recipiente que lo contiene. Los líquidos ocupan una
cierta cantidad de espacio; tiene una densidad definida y una temperatura y presión
dadas. Las partículas de un líquido están atraídas lo suficiente como para estar en
contacto unas con otras. A diferencia del gas, la atracción de una molécula con su
vecina inmediata es alta y, cuando un líquido se vierte, mantiene un volumen constante.
Además, las moléculas en un líquido no tienen vecinos particulares como tienen los
sólidos, y su irregularidad permite un mayor grado de tolerancia en el ordenamiento
molecular. Por tanto, el estado líquido se caracteriza por su irregularidad o vaguedad en
el ordenamiento molecular. Las moléculas en el estado líquido tienen un ordenamiento
de corto alcance. Las distancias intermoleculares son aproximadamente del tamaño de
las moléculas.
2.3. EL ESTADO SÓLIDO
La característica dominante del estado cristalino, a diferencia del estado gaseoso y
líquido, son las fuerzas de unión entre sus moléculas que dan a este estado su estructura
ordenada. La agitación térmica tiende a romper este orden en el sólido así que, cuando
la temperatura se eleva lo suficiente y la energía térmica media de una molécula excede
su energía de atracción, las moléculas escapan de la influencia de las otras y el sólido se
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transforma en cristal líquido o en líquido. La capacidad de los sólidos a resistirse a una
fuerza rompedora y a recuperar su forma original después de una pequeña deformación
son las propiedades que más fácilmente les distinguen de gases y líquidos. Los cristales
líquidos son, en cierta forma, como los sólidos en sus propiedades de deformación. Las
deformaciones en los cristales líquidos son mayores que en los sólidos. Cuando un
sólido se calienta, la estructura cristalina ordenada colapsará a una temperatura
particular, y el cambio de fase resultante es intenso. Caracterizando a los tres estados
comunes de la materia, podemos decir que los sólidos cristalinos tienen una estructura
regular y coherente; los líquidos tienen una estructura irregular y coherente; y los gases
tienen una estructura irregular e incoherente.
2.4. EL ESTADO LÍQUIDO CRISTALINO
El término cristal líquido es intrigante y con tendencia a confusión. A pesar de
parecer contradictorio, la designación intenta describir las propiedades de un estado
particular de la materia. Los cristales líquidos pueden ser descritos como estados fluidos
condensados con anisotropía espontánea. Éstos son sustancias ordenadas en una o dos
dimensiones pero no en tres. Este ordenamiento debe ser de largo alcance, es decir,
extendido a grandes distancias relativas al tamaño molecular. En la dimensión no
ordenada, el sistema tiene la movilidad de un líquido.
Hay una experiencia muy sencilla que permite entender la formación de cristales
líquidos. Rellene un cubo con agua y coloque en la superficie unos cuantos
mondadientes. Cuando los palillos son pocos, se colocan en la superficie totalmente al
azar. Cuando su número aumenta, comienzan a formar grupos en los que los palillos
están más o menos paralelos. En ese momento podemos decir que en la superficie hay
dos fases, la desordenada y la fase de cristal líquido. La razón por la que los palillos de
esta experiencia o las moléculas alargadas que generan cristales líquidos se agrupan, es
para evitar su interpenetración y la interacción que mantiene la estructura extendida a
grandes distancias sin que el movimiento browniano las rompa: es la interacción
bipolar.
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El estado líquido cristalino es un estado de la materia que mezcla las propiedades
de ambos estados líquido y sólido y es intermedio entre los dos en muchas de sus
propiedades. Los cristales líquidos combinan un tipo de orden de largo alcance (como
en el caso de un sólido) con la capacidad para formar gotitas y para fluir (como en el
caso de los líquidos como el agua). También exhiben propiedades que no se encuentran
ni en los líquidos ni en los sólidos. Algunas propiedades específicas incluyen (1)
formación de “monocristales” con la aplicación de un campo eléctrico y/o magnético;
(2) actividades ópticas en cristales líquidos colestéricos-nemáticos de una magnitud sin
semejanza en tanto el régimen sólido como el líquido; y (3) sensibilidad (colestériconemático) a la temperatura, que da lugar a cambios de color. Al calentarse un sólido que
forma un cristal líquido, el sólido sufre una transformación a un sistema turbio que es
birrefrigente y fluido, la consistencia varía con diferentes compuestos desde una pasta
hasta un líquido que fluye libremente. Cuando el sistema turbio se calienta, se convierte
en líquido isotrópico (las propiedades ópticas son las mismas a pesar de la dirección de
medida). Estas fases que cambian pueden representarse como sigue:
calor
Sólido
frío
Cristal
líquido
calor
Líquido
frío
Fig. 2.1. Cambios de fase en un cristal líquido.
Un ejemplo de cristal líquido es el miristato de colesterilo. Ésta es una molécula
complicada, compuesta mayoritariamente por átomos de carbono e hidrógeno. Sin
embargo, es una sustancia bastante común y puede encontrarse en nuestras membranas
celulares y también en aquellos depósitos de grasa que provocan el endurecimiento de
nuestras arterias. A temperatura ambiente (20ºC) está en la fase sólida, si lo calentamos
lentamente, observamos que a 71ºC el sólido funde, pero el líquido resultante es muy
turbio y no se parece a otros líquidos tales como el agua, alcohol, o aceite. Si seguimos
aumentando la temperatura, apreciamos que tiene lugar otro cambio a 85ºC; aquí el
líquido turbio se vuelve claro, pareciéndose ahora a los líquidos que nos son familiares.
Si continuamos calentando hasta la máxima temperatura de nuestro aparato (200ºC), no
ocurre nada más.
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Fig. 2.2. Diagrama de fase del miristato de colesterilo. La fase gaseosa no
se muestra debido a que la molécula se descompone a elevadas
temperaturas.
¿Es un cristal líquido más parecido a un sólido o a un líquido? Esta pregunta es
importante porque resulta tener una respuesta definitiva. Cuando se produce una
transición de fase de sólido a líquido, por ejemplo, se le debe suministrar energía a la
molécula para romper las fuerzas atractivas que mantienen al sólido unido en una
estructura altamente ordenada. Una analogía es la energía que se debe suministrar para
separar dos imanes. La cantidad de energía requerida para provocar una transición de
fase se llama calor latente de la transición y es una medida útil de la diferencia entre dos
fases. En el caso del miristato de colesterilo, el calor latente de transición de sólido a
cristal líquido es de 65 calorías/gramo, mientras que el calor latente para la transición de
cristal líquido a líquido es de 5 calorías/gramo. Estos números nos permiten responder a
la pregunta anterior. Al ser menor el calor latente de transición de cristal líquido a
líquido, es evidente que los cristales líquidos son más similares a los líquidos que a los
sólidos. Cuando un sólido funde en un cristal líquido, éste pierde la mayor parte del
orden que tenía y retiene sólo un poco de más orden del que posee un líquido. Esta
pequeña cantidad de orden se pierde luego en la transición de cristal líquido a líquido.
El hecho de que los cristales líquidos sean similares a los líquidos con sólo una pequeña
cantidad de orden adicional, es la llave para entender muchas de las propiedades físicas
que les hace un estado de la materia delicado de la naturaleza.
Aunque la mayoría de las moléculas no forman una fase de cristal líquido, existe
un gran número que sí la tienen. Se dice que en una síntesis indiscriminada de
compuestos orgánicos, aproximadamente uno de cada doscientos posee la fase líquida
cristalina. Después de años de experimentación, se ha llegado a saber qué tipos de
moléculas es probable que sean líquidos cristalinos a cierta temperatura. Primero de
todo, la molécula debería de ser de forma alargada; esto es, sería significativamente más
larga que ancha. Segundo, la molécula debería tener alguna rigidez en su región central.
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Una molécula flexible como un espagueti guisado es improbable que tenga una fase de
cristal líquido. Finalmente, parece ser ventajoso si el extremo de la molécula es, de
alguna manera, flexible. Un buen modelo de una molécula de cristal líquido típica es
por tanto un lápiz corto con una pequeña pieza de espagueti guisado unida a cada
extremo. Las moléculas alargadas normalmente tienen fuertes fuerzas atractivas cuando
se alinean paralelamente unas con otras. Además, las moléculas alargadas chocan
menos unas con otras cuando tienden a apuntar a la misma dirección, lo cuál es
importante para estabilizar fases alineadas.
Las fases que forman los cristales líquidos se llaman mesofases y las moléculas o
grupos de átomos que favorecen la formación de mesofases se conocen como grupos
mesogénicos.
SÓLIDO
+ CALOR
MESOFASE
CRISTALES LÍQUIDOS
TERMOTRÓPICOS
+ CALOR
LÍQUIDO
Los cristales líquidos son muy sensibles a su ambiente, y las fuerzas externas
tienen un efecto pronunciado en su comportamiento. Por ejemplo, la aplicación de un
campo eléctrico de aproximadamente 1.5 V a través de una célula formada por un
sándwich de cristal líquido de espesor 10-25 μm causará un cambio pronunciado en las
propiedades ópticas del cristal líquido.
Los cristales líquidos pueden confeccionarse en forma de moléculas-barras o en
forma de moléculas-discos.
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Fig. 2.3. Muestra de cristales líquidos en forma de barras y en forma de
discos.
Esta asimetría molecular tiene una consecuencia muy importante, los átomos
dentro de la molécula se sitúan preferentemente a lo largo del eje de la molécula o bien
en el plano definido por la molécula misma, dando lugar a una estructura molecular
complicada, según se observa en la figura 2.4.
Fig. 2.4. Situación de los átomos dentro de las moléculas.
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