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

NEMÁTICA

ND

COLUMNARES

Colh Colr

MESOFASES DISCÓTICAS AQUIRALESMESOFASES DISCÓTICAS AQUIRALES

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

DISPOSITIVOS ELECTROÓPTICOSAplicaciones

DISPOSITIVOS ELECTROÓPTICOSAplicaciones

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

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

MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIÓN

MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIÓN