Cristale lichide
Cristalele lichide sunt o clasă de compuși organici cu proprietăți cristalino-lichide deosebite, descoperite în 1888 de botanistul austriac Friedrich Reinitzer .
Reinitzer a observat că, încălzind o cantitate de benzoat de colesterol, a devenit mai întâi opac și apoi s-a curățat odată cu creșterea treptată a temperaturii. Odată răcit, lichidul a devenit albăstrui și apoi s-a cristalizat .
În practică, aceste substanțe nu trec direct de la lichid la starea solidă, dar în anumite condiții sunt capabile să se organizeze în faze intermediare ( mezofaze ) care au caracteristici atât ale stării solide cristaline, cât și celei lichide. Acest dualism justifică termenul cu care sunt indicați acești compuși: cristale lichide.
Proprietate
Cristalele lichide pot fi definite ca fluide foarte anizotrope care există între faza solidă cristalină și faza lichidă izotropă. Existența acestor mezofaze se datorează unei anumite organizări pe care o pot asuma moleculele trecând de la dispunerea cristalină ordonată a stării solide la dispunerea aleatorie a stării lichide. Numeroase cristale lichide pot fi observate pe baza birrefringenței lor optice la microscop cu filtre de polarizare încrucișate.
La proprietățile tipice ale stării solide ( anizotropie optică și electrică) și ale stării lichide (fluiditate și mobilitate moleculară) se adaugă caracteristici deosebite ale cristalelor lichide: de exemplu posibilitatea de a varia gradul de ordine prin intermediul câmpurilor magnetice și electrice , sau au capacitatea de a schimba culoarea pe măsură ce temperatura se schimbă. Acest lucru a făcut din cristalele lichide o clasă de compuși care sunt folosiți pe scară largă astăzi în construcția obiectelor de zi cu zi, cum ar fi afișajele LCD.
Clasificare
Compușii care formează mezofaze ( mezogeni ) atunci când sunt dizolvați într-un solvent adecvat într-un anumit interval de concentrații, se numesc cristale lichide liotrope . Cei capabili să genereze mezofaze pe măsură ce temperatura variază se numesc termotrope și au, în general, o structură moleculară sub forma unui disc ( cristale lichide discotice ) sau sub forma unui baston ( calamitic ).
Același compus, în calea dintre starea cristalină și starea lichidă izotropă, poate trece prin diferite mezofaze caracterizate printr-un grad de ordine descrescătoare. Numeroase substanțe aparțin clasei de cristale lichide liotrope , dintre care unele prezintă un mare interes biologic, care se agregează în mezofaze atunci când sunt dizolvate într-un solvent adecvat. Este posibil să se observe diferite mezofaze liotrope, deoarece concentrația variază și există o valoare critică sub care soluția este izotropă .
Mezofazele termotrope
Mezofazele calamitice pot prezenta următoarele tipuri de organizare supramoleculară:
Mezofază nematică
Apariția unei probe nematice lichid-cristaline la microscopul optic cu filtre polarizante încrucișate seamănă cu un set de fire.
Cristalele lichide în faza N sunt fluide ca lichidele izotrope, iar centrele de masă ale moleculelor sunt distribuite fără ordine în spațiu, dar există o direcție preferențială de orientare a moleculelor în sine.
Mezofază colesterică
O mezofază colesterică formată dintr-o moleculă chirală își asumă o orientare elicoidală numită colesterică (Ch), deoarece a fost observată pentru prima dată în derivații colesterolului. Pasul elicei variază pe măsură ce temperatura se schimbă, iar mezofazele colesterice sunt capabile să difere lumina care are o lungime de undă egală cu lungimea pasului. Pe măsură ce temperatura variază, se observă deci o variație a culorii cristalului lichid.
Mezofaze smectice stratificate
Ca și în cazul fazei nematice, în mezofazele smectice axele lungi sunt orientate preferențial în aceeași direcție. La această ordine orientativă se adaugă un ordin pozițional unidimensional sau bidimensional datorită faptului că în aceste faze moleculele sunt organizate în straturi.
În funcție de diferitele configurații posibile, există numeroase faze smectice, fiecare identificată printr-o literă (de exemplu S A înseamnă mezofază smectică de tip A).
Mulți compuși au fost caracterizați care prezintă mezofaze multiple. Secvența de încălzire (determinată de gradul de ordine descrescător treptat) de la un cristal (K) la un lichid izotrop (I) este după cum urmează:
K → S E sau S G → S B → S F → S C → S D → S A → N → I.
Similar cu ceea ce a fost descris pentru mezofazele calamitice, în care sunt prezente mezofaze nematice și smectice, de asemenea, discoticele pot fi clasificate în nematic (sau fluid discotic) și columnar , analog fazelor smectice.
Mezofazele liotropice
O mezofază liotropică este generată de mezogeni care, dizolvați într-un solvent adecvat și în anumite intervale de concentrație, se agregă în structuri cristaline lichide.
Adesea mezogenii liotropi sunt molecule amfifile (adică conțin atât grupuri funcționale hidrofobe, cât și hidrofile ). Prin variația concentrației solventului ( apă în acest caz) proprietățile hidrofile sau hidrofobe pot varia, modificând modul în care moleculele se agregează între ele și în raport cu moleculele solventului.
Gradul de ordine de agregare a acestor molecule crește odată cu creșterea concentrației și există numeroase posibilități de agregare micelară , inclusiv de exemplu:
- Sferic
- Coloană
- Cub
- Lamelar
Numeroși agenți tensioactivi prezintă acest tip de comportament și se organizează în miceli atunci când sunt dizolvați în apă. Funcționarea multor săpunuri se bazează pe această capacitate de a se organiza în micele sferoidale care încorporează grăsimea prin îndepărtarea ei de pe suprafața tratată.
Mesogenii liotropici se întâlnesc și în biologie: de exemplu, numeroase substanțe implicate în mecanismul membranelor biologice, proteinele care alcătuiesc pânza de păianjen , unii viruși , fosfolipide și ADN în sine.
Aplicații
Cristalele lichide sunt utilizate pe scară largă în afișajele cu cristale lichide , care exploatează proprietățile optice ale anumitor molecule cristaline lichide. Aceste molecule în prezența unui câmp electric se aliniază cu acesta, modificând polarizarea luminii într-o anumită direcție. Prin exploatarea acestei abilități este posibilă filtrarea luminii care trece prin panouri polarizate speciale.
O altă aplicație, care exploatează proprietățile cristalelor lichide colesterice , se găsește în unele termometre pentru măsurarea temperaturii corpului sau a circuitelor electrice.
Elemente conexe
Alte proiecte
-
Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere pe cristale lichide
linkuri externe
- ( EN ) Cristale lichide , în Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.
- ( RO ) IUPAC Gold Book, „cristal lichid” , pe goldbook.iupac.org .
- Scurt eseu introductiv despre cristale lichide ( PDF ), pe ulisse.sissa.it . Adus la 10 iulie 2013 (arhivat din original la 5 martie 2016) .
- ( EN ) Tutorial cu cristale lichide , la plc.cwru.edu . Adus la 18 iunie 2005 (arhivat din original la 13 august 2007) .
- ( EN ) Diseminarea IT pentru promovarea științei materialelor (DoITPoMS), „Cristale lichide” , la doitpoms.ac.uk .
| Controlul autorității | Tezaur BNCF 49071 · LCCN (EN) sh85077357 · BNF (FR) cb11981189m (data) · NDL (EN, JA) 00.561.894 |
|---|
