Cristal líquido para niños
El cristal líquido es un estado especial de la materia que combina características de los líquidos y los sólidos. Imagina que las moléculas pueden moverse como en un líquido, pero al mismo tiempo, están ordenadas de una manera específica, como en un cristal. Esto les da propiedades únicas que son muy útiles en la tecnología.
Contenido
¿Cómo se descubrieron los cristales líquidos?
El descubrimiento de los cristales líquidos se atribuye al botánico Friedrich Reinitzer en 1888. Él estaba estudiando una sustancia que parecía tener dos puntos de fusión. Primero, se derretía en un líquido espeso y opaco. Luego, a una temperatura más alta, se volvía un líquido transparente.
Un año después, en 1889, Otto Lehmann explicó este fenómeno. Describió un nuevo estado de la materia que estaba entre un líquido y un cristal. Más tarde, en 1922, un científico llamado Friedel llamó a este estado "mesofase".
Los científicos se dieron cuenta de que estas sustancias eran especiales. Sus moléculas podían moverse con facilidad, como en un líquido. Pero también tendían a orientarse de la misma manera, como en un sólido. Esta doble naturaleza solo se mantiene en ciertos rangos de temperatura y presión.
¿Cuándo se hicieron útiles los cristales líquidos?
En 1970, se descubrió que una corriente eléctrica pequeña podía cambiar la estructura interna de los cristales líquidos. Esto alteraba sus propiedades ópticas, es decir, cómo interactuaban con la luz. También se vio que un campo magnético podía hacer lo mismo.
Este descubrimiento fue muy importante. Permitió crear los primeros aparatos que usaban cristales líquidos. Como requerían poca energía, los dispositivos electrónicos empezaron a ser portátiles. Las primeras calculadoras usaron esta tecnología.
Con el tiempo, se desarrollaron nuevas sustancias y se mejoró la tecnología. Así surgieron las pantallas de cristal líquido, conocidas como LCD. Estas pantallas son más nítidas y coloridas. Ofrecen una calidad similar a las pantallas antiguas, pero consumen mucha menos energía.
Características y tipos de cristales líquidos
La característica principal de los cristales líquidos es la forma de sus moléculas. Suelen ser alargadas, como bastones, o con forma de disco. A diferencia de los cristales normales, donde las moléculas están muy ordenadas, en los cristales líquidos las moléculas tienen un orden de orientación a larga distancia, pero no están fijas en posiciones específicas.
Dependiendo de la temperatura, los cristales líquidos pueden pasar por varias fases intermedias. Estas fases tienen propiedades entre un cristal sólido y un líquido.
Cristales líquidos termotrópicos
Las fases termotrópicas son aquellas que aparecen en rangos específicos de temperatura.
- Si la temperatura es muy alta, la energía hace que las moléculas se desordenen. El cristal líquido se convierte en un líquido normal.
- Si la temperatura es muy baja, la mayoría de los cristales líquidos se solidifican. Se forman cristales convencionales.
Dentro de los cristales líquidos termotrópicos, hay varios tipos de fases:
Fase nemática
La fase nemática es una de las más comunes. La palabra "nemática" viene del griego y significa "hilo". Esto se debe a que en esta fase se observan defectos que parecen hilos.
En la fase nemática, las moléculas tienen forma de bastón. No tienen un orden fijo de posición, pero se alinean para que sus ejes largos estén más o menos paralelos. Esto significa que las moléculas pueden fluir como en un líquido, pero mantienen una dirección preferida.
Los cristales líquidos nemáticos son muy útiles en las pantallas LCD. Esto se debe a que pueden ser fácilmente alineados por un campo eléctrico o magnético.
Fase esméctica
Las fases esmécticas aparecen a temperaturas más bajas que la nemática. En esta fase, las moléculas forman capas bien definidas que pueden deslizarse unas sobre otras, como las capas de jabón. La palabra "esméctica" viene del latín y significa "limpieza" o "similar al jabón".
En la fase esméctica A, las moléculas se orientan perpendicularmente a las capas. En la fase esméctica C, las moléculas están inclinadas dentro de cada capa. Dentro de estas capas, el material se comporta como un líquido.
Fase quiral
La fase quiral nemática tiene una propiedad llamada quiralidad (como si tuviera una "mano" izquierda o derecha). A menudo se le llama "fase colestérica" porque se observó por primera vez en derivados del colesterol. Solo las moléculas quirales, que no tienen planos de simetría internos, pueden formar estas fases.
En esta fase, las moléculas se tuercen en espiral perpendicularmente a su eje principal. El ángulo de torsión entre moléculas cercanas se debe a su forma asimétrica. Esto crea un orden quiral a mayor escala.
El "tono quiral" (llamado 'p') es la distancia en la que las moléculas de cristal líquido completan una rotación de 360 grados. Este tono puede cambiar con la temperatura o si se añaden otras moléculas. Si el tono quiral es similar a la longitud de onda de la luz visible, estos sistemas tienen propiedades ópticas únicas. Por ejemplo, pueden reflejar la luz de una manera especial, lo que se usa en muchas aplicaciones ópticas.
Fase azul
Las fases azules aparecen en un rango de temperatura entre una fase nemática quiral y una fase líquida normal. Tienen una estructura cúbica tridimensional regular con patrones que se repiten cada pocos cientos de nanómetros. Por eso, reflejan la luz de forma selectiva, como los cristales.
Aunque las fases azules son interesantes para la tecnología, suelen existir en un rango de temperatura muy pequeño. Sin embargo, se ha logrado estabilizarlas en un rango más amplio, incluso a temperatura ambiente. Esto permite que se usen en pantallas LCD más rápidas.
Fase columnar
La fase columnar es un tipo de mesofase donde las moléculas se agrupan en estructuras cilíndricas. Al principio, se les llamaba "cristales líquidos discóticos" porque las columnas estaban formadas por moléculas con forma de disco. Sin embargo, ahora se sabe que otras moléculas no discóticas también pueden formar columnas, por lo que se les llama cristales líquidos columnares.
Cristales líquidos liotrópicos
Otro tipo de cristales líquidos son los liotrópicos. Se forman cuando ciertas moléculas, llamadas moléculas anfifílicas (que tienen una parte que le gusta el agua y otra que no), se mezclan con un líquido como el agua. Dependiendo de la concentración, estas moléculas se organizan de diferentes maneras.
Algunas de estas moléculas nemáticas tienen propiedades ópticas que dependen de su orientación. Esto permite o impide el paso de la luz, o cambia su polarización. Su aplicación más directa es en la fabricación de pantallas de cristal líquido.
Cristales líquidos biológicos
Las estructuras de cristal líquido liotrópicas son muy comunes en los seres vivos. Por ejemplo, las membranas biológicas y las membranas de las células son una forma de cristal líquido. Sus moléculas, como los fosfolípidos, se organizan perpendicularmente a la superficie de la membrana. Esto hace que la membrana sea líquida y elástica. Las moléculas pueden moverse fácilmente, pero tienden a permanecer dentro de la membrana.
Muchas otras estructuras biológicas también se comportan como cristales líquidos. Por ejemplo, la solución concentrada de proteína que una araña usa para hacer seda de araña es una fase de cristal líquido. El orden preciso de las moléculas en la seda es clave para su increíble resistencia. El ADN y muchos polipéptidos también forman fases de cristal líquido.
Aplicaciones de los cristales líquidos
Los cristales líquidos se usan mucho en las pantallas, como las de tu teléfono o televisor. Estas pantallas aprovechan cómo las propiedades ópticas de los cristales líquidos cambian con un campo eléctrico.
En una pantalla típica, una capa de cristal líquido se encuentra entre dos "polarizadores". Estos polarizadores están cruzados, es decir, orientados a 90 grados entre sí. Cuando no hay electricidad, el cristal líquido "tuercen" la luz que pasa por el primer polarizador, permitiendo que pase por el segundo. Así, la pantalla se ve transparente o brillante.
Cuando se aplica un campo eléctrico a la capa de cristal líquido, las moléculas se alinean con el campo. En este estado, las moléculas ya no tuercen la luz. La luz polarizada por el primer polarizador es absorbida por el segundo, y la pantalla se vuelve opaca u oscura. De esta manera, el campo eléctrico puede encender o apagar los píxeles. Las pantallas LCD a color usan filtros de color para crear rojo, verde y azul.
Los cristales líquidos también se usan en:
- Láseres de cristal líquido: Usan un cristal líquido como parte del mecanismo que genera el láser.
- Vidrio inteligente: Son láminas que se pueden aplicar a ventanas. Con electricidad, pueden cambiar de transparentes a opacas, ofreciendo privacidad.
- Jabones: Muchos fluidos comunes, como el jabón, son en realidad cristales líquidos. El jabón forma diferentes fases de cristal líquido según su concentración en agua.
Véase también
En inglés: Liquid crystal Facts for Kids
- LCD
- Cristal líquido sobre silicio
- Termómetro de cristal líquido
- Benzoato de colesteril.
- TFT.
- TFT LCD.
- Pantalla de cristal líquido.
Galería de imágenes
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Alineamiento en fase nemática.
