El maravilloso mundo de los Cristales Líquidos

Sergio Diez BerartGrup de Caracterització de Materials

Grup de Caracterització de Materials (GCM)

• Aplicaciones de los CL• Breve historia• Moléculas de CL• Mesofases• Técnicas experimentales• Tipos de CL• Nanoconfinamiento

Contenido

Pantallas CL

Ventana devidrio

Cristal Líquido

Placa posterior

Liquid Crystal Display(LCD)

Pixel,CircuitosPlaca de silicona

Microdispositivos

Óptica

Investigación actual

Electrónica

Armamento

Consumo

Biotecnología

Historia1888. F. Reinitzer (botánico austríaco). 2 puntos de fusión en

derivados del colesterol

1889. O. Lehmann (cristalógrafo alemán). Cristal líquido

1er tercio siglo XX. Olvidados por diversos prejuicios1911. C. Mauguin describe estructura y propiedades

2º tercio siglo XX. Eclipsados por otros avances1936. 1ª aplicación: LC Light Valve

Principio años 60. Dispositivos electrónicos. Se necesita nexo entre lo microscópico y lo macroscópico: CL

Friedrich Reinitzer(1857 – 1927)

Cristales Líquidos

Mesofase: Estado intermedio entre el sólido cristalino y el líquido isótropo

Mesógeno: Material que presenta una o varias mesofases

• Termótropos: Cambios de fase con la temperatura

• Liótropos: Cambios de fase con la concentración

Moléculas termótropasNúcleo rígido (uniaxialidad) y cadenas terminales (fluidez)

• Calamítica

• Discótica

OC

C10H12O

C6H13

O

OCO

O O O

O OO

O

O

O

O

OO

OO

OO

OOOO

OOO

O

OO

O

OO

OO

OO

O M

β µ

lµ

tµ

Mesofases calamíticas

• Dirección preferente: director molecular n

Nemática (N)

Esméctica A (SmA)

Esméctica C (SmC)

Parámetro de orden:

1cos321 2 −= θS

n nn

θ

n

Mesofases quirales

• Moléculas quirales: estructura helicoidal• SmC*: polarización espontánea

Colestérica (N*)

SmC*

p

E

Mesofase SmC*•Polarización espontánea•Ferrolectricidad•Biestabilidad

Técnicas experimentalesMicroscopía óptica de polarización

I-n.aviN-sa.avi

•Microscopio Kyowa Microlux-12•Platina Linkam

T /KC

p [SmA] [N]

Tc

Calorimetría diferencial de barrido modulada (MDSC)

Técnicas experimentales

TA Instruments•TGA Q50•DSC Q100

Espectroscopía dieléctrica

Dipolar

At micaElectrónica

''

'

103 106 109 1012 1015 ν(Hz)Microondas IR V UV

Técnicas experimentales

Analizadores de impedancia:•Alplha (Novocontrol)•HP 4192 A•Agilent 4291 A

E E

E

ω1 ω2

ω3

E

ω4

Modos dieléctricos (ω1)Rotación en torno al eje corto (flip-flop)

E E

E

ω1 ω2

ω3

E

ω4

Modos dieléctricos (ω1)Rotación en torno al eje corto (flip-flop)

E E

E

ω1 ω2

ω3

E

ω4

Modos dieléctricos (ω2)Rotación en torno al eje largo

E E

E

ω1 ω2

ω3

E

ω4

Modos dieléctricos (ω2)Rotación en torno al eje largo

E E

E E

ω1 ω2

ω3 ω4

Modos dieléctricos (ω3)

Precesión en torno al director molecular

E E

E E

ω1 ω2

ω3 ω4

Modos dieléctricos (ω3)

Precesión en torno al director molecular

E E

E E

t

ω1 ω2

ω3 ω4

Modos dieléctricos (ω4)

Rotación en torno al eje largo de las moleculas en precesión

E E

E E

t

ω1 ω2

ω3 ω4

Modos dieléctricos (ω4)

Rotación en torno al eje largo de las moleculas en precesión

-10 -5 0 5 10-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

Corr

ient

e de

pol

ariz

ació

n / u

. a.

E / Vµm-1

Medida de la polarización espontánea

Técnicas experimentales

•Generador de funciones HP 3325A•Multímetro HP 3458 A•Amplificador Kepco•Osciloscopio HP 54603 B

p

E

-10 -5 0 5 10-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

Corri

ente

de

pola

rizac

ión

/ u. a

.

E / Vµm-1

Histéresis ferroeléctrica

CL Cianobifeniles

C H2n+1nN C

ON C C H2n+1n

nOCB

nCB

Años 60Moléculas sencillasEstudios fundamentales:

Transiciones de faseDinámica molecularetc…

0.2 0.4 0.6 0.8X

290

300

310

320

330

340

350

360

T /K

7OCB 8OCB

[SmA]

[N]

[ I ]

[NR]

N

SmA

NR

M. B. Sied et al. J. Phys. Chem. B, 107, 7820 (2003)

Nemática Reentrante

Mezclas binarias de Cianobifeniles

Dímeros

O(CH2)nO CNNC

D. A. Dunmur et al. J.Chem.Phys., 115, 8681 (2000)S. Diez, et al. Liq. Cryst., 30, 1021 (2003)

Conformaciones

Dímeros

D. A. Dunmur et al. J.Chem.Phys., 115, 8681 (2000)S. Diez, et al. Liq. Cryst., 30, 1021 (2003)

80 90 100 110 120 130 140

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

∆ε

Temperatura / ºC

•Altas T:conformación más isótropa

•Bajas T:conformación más anisótropa

•Programación cambios conformacionales

•Nuevas técnicas de diseño molecular

Bananas

1 unidad rígida en forma de V + 2 cadenas terminales

O

O O

O

NN

HR

HR

R=(O)CnH2n+1

O

O O

O

NN

HR

HR

R=(O)CnH2n+1

E

p

O

OO

O

H29

C14

OO

C14

H29

O

OO

O

O

OO

O

H29

C14

OO

C14

H29

O

OO

O

ppp

O

OO

O

H29

C14

OO

C14

H29

O

OO

O

O

OO

O

H29

C14

OO

C14

H29

O

OO

O= 0

Bananas: Fase B2

•Fase esméctica helicoidal•Antiferroelectricidad

•Displays electroópticos

•Dinámica más lenta que en CL ferroeléctricos convencionales

E

p

O

OO

O

H29

C14

OO

C14

H29

O

OO

O

O

OO

O

H29

C14

OO

C14

H29

O

OO

O

ppp

O

OO

O

H29

C14

OO

C14

H29

O

OO

O

O

OO

O

H29

C14

OO

C14

H29

O

OO

O

Bananas: Fase B2

•Fase esméctica helicoidal•Antiferroelectricidad

•Displays electroópticos

•Dinámica más lenta que en CL ferroeléctricos convencionales

E

p

O

OO

O

H29

C14

OO

C14

H29

O

OO

O

O

OO

O

H29

C14

OO

C14

H29

O

OO

O

ppp

O

OO

O

H29

C14

OO

C14

H29

O

OO

O

O

OO

O

H29

C14

OO

C14

H29

O

OO

O

Bananas: Fase B2

•Fase esméctica helicoidal•Antiferroelectricidad

•Displays electroópticos

•Dinámica más lenta que en CL ferroeléctricos convencionales

E

p

O

OO

O

H29

C14

OO

C14

H29

O

OO

O

O

OO

O

H29

C14

OO

C14

H29

O

OO

O

ppp

O

OO

O

H29

C14

OO

C14

H29

O

OO

O

O

OO

O

H29

C14

OO

C14

H29

O

OO

O= 0

Bananas: Fase B2

•Fase esméctica helicoidal•Antiferroelectricidad

•Displays electroópticos

•Dinámica más lenta que en CL ferroeléctricos convencionales

Confinamiento de CL

• Antecedentes:– Cristales fotónicos

SiO2 con huecos en FCC

• Aplicaciones:– Láseres, conmutadores electroópticos, memorias ópticas…

• Confinamiento:– Estructura dieléctrica desordenada + CL

• Elección estructura• Tratamiento• Elección CL

Estructuras pseudo-ordenadasAnopore, Nucleopore

60 µm

Ø = 0.2 µm = 200 nm

Estructuras desordenadas

Aerogel, Vycor, CPG Dendrímeros

Ø = 0.01 µm = 10 nm

Membranas Partículas dispersantes

Zeolitas

Ø = 0.001 µm = 1 nm

Estructuras mixtas

Doble confinamiento:•Orden dentro de las membranas•Desorden fuera de las membranas (dispersión)

7OCB: Calor específico

S. Diez, et al. J. Phys. Chem. B, 109, 23209 (2005)

345 346 347 348

4

8

12

16

Cp(

J·g-

1 ·K

-1)

BULKAXIAL RADIAL

Axial

Radial

7OCB: Permitividad estática

S. Diez, et al. J. Phys. Chem. B, 109, 23209 (2005)

E

E

E

E

Capa nemática

T capa

Homeótropo

Planar

Axial

Radial

T(K)

8

12

16

stat

ic p

erm

ittiv

ity(ε

')

328 338 348 358 368

Cp-bulk transition temperatureε'⊥

ε'

ε'iso

NEMATIC

ISOTROPIC

320 340 360 380T(K)

4

5

6

7

8

9

appa

rent

sta

tic p

erm

ittiv

ity(ε

app)

Cp Bulk transition temperatureεaxial

εradial

Nematic

Isotropic

Capa nemática inducida

•Dentro de la capa:Moléculas inmóviles

•Fuera de la capaDinámica idéntica al bulk

¿Guías ópticas?

Gracies per la vostra atenció