Cristal líquido - Liquid crystal

Textura Schlieren da fase nemática de cristal líquido

Física de matéria condensada
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Os cristais líquidos (LCs) são um estado da matéria que possui propriedades entre as dos líquidos convencionais e as dos cristais sólidos . Por exemplo, um cristal líquido pode fluir como um líquido, mas suas moléculas podem ser orientadas de forma cristalina. Existem muitos tipos diferentes de fases de cristal líquido , que podem ser distinguidas por suas diferentes propriedades ópticas (como texturas ). As áreas contrastantes nas texturas correspondem a domínios onde as moléculas de cristal líquido são orientadas em diferentes direções. Dentro de um domínio, entretanto, as moléculas estão bem ordenadas. Os materiais LC nem sempre podem estar em um estado de cristal líquido da matéria (assim como a água pode se transformar em gelo ou vapor de água).

Os cristais líquidos podem ser divididos em fases termotrópicas , liotrópicas e metalotrópicas . Cristais líquidos termotrópicos e liotrópicos consistem principalmente de moléculas orgânicas , embora alguns minerais também sejam conhecidos. Os LCs termotrópicos exibem uma transição de fase para a fase de cristal líquido conforme a temperatura é alterada. LCs liotrópicos exibem transições de fase em função da temperatura e da concentração das moléculas de cristal líquido em um solvente (normalmente água). LCs metalotrópicos são compostos de moléculas orgânicas e inorgânicas; sua transição de cristal líquido depende não apenas da temperatura e da concentração, mas também da proporção da composição orgânico-inorgânico.

Exemplos de cristais líquidos podem ser encontrados tanto no mundo natural quanto em aplicações tecnológicas. Os visores de cristal líquido muito difundidos usam cristais líquidos. As fases liotrópicas líquido-cristalinas são abundantes em sistemas vivos, mas também podem ser encontradas no mundo mineral. Por exemplo, muitas proteínas e membranas celulares são cristais líquidos. Outros exemplos bem conhecidos de cristais líquidos são soluções de sabão e vários detergentes relacionados , bem como o vírus do mosaico do tabaco e algumas argilas .

História

Em 1888, o fisiologista botânico austríaco Friedrich Reinitzer , trabalhando na Karl-Ferdinands-Universität , examinou as propriedades físico-químicas de vários derivados do colesterol que agora pertencem à classe de materiais conhecida como cristais líquidos colestéricos. Anteriormente, outros pesquisadores observaram efeitos de cor distintos ao resfriar derivados de colesterol logo acima do ponto de congelamento , mas não os associaram a um novo fenômeno. Reinitzer percebeu que as mudanças de cor em um benzoato de colesteril derivado não eram a característica mais peculiar.

Chemical structure of cholesteryl benzoate molecule

Ele descobriu que o benzoato de colesterol não derrete da mesma maneira que outros compostos, mas tem dois pontos de fusão . A 145,5 ° C (293,9 ° F) derrete num líquido turvo, e a 178,5 ° C (353,3 ° F) derrete novamente e o líquido turvo torna-se límpido. O fenômeno é reversível. Buscando ajuda de um físico, em 14 de março de 1888, escreveu a Otto Lehmann , então Privatdozent em Aachen . Eles trocaram cartas e amostras. Lehmann examinou o fluido turvo intermediário e relatou ter visto cristalitos . O colega von Zepharovich de Reinitzer também indicou que o "fluido" intermediário era cristalino. A troca de cartas com Lehmann terminou no dia 24 de abril, com muitas perguntas sem resposta. Reinitzer apresentou seus resultados, com créditos para Lehmann e von Zepharovich, em uma reunião da Sociedade Química de Viena em 3 de maio de 1888.

Naquela época, Reinitzer havia descoberto e descrito três características importantes dos cristais líquidos colestéricos (o nome cunhado por Otto Lehmann em 1904): a existência de dois pontos de fusão, a reflexão de luz polarizada circularmente e a capacidade de girar a direção de polarização de luz.

Após sua descoberta acidental, Reinitzer não continuou a estudar os cristais líquidos. A pesquisa foi continuada por Lehmann, que percebeu que havia encontrado um novo fenômeno e estava em posição de investigá-lo: em seus anos de pós-doutorado, ele adquiriu experiência em cristalografia e microscopia. Lehmann iniciou um estudo sistemático, primeiro do benzoato de colesterila e, em seguida, de compostos relacionados que exibiam o fenômeno de fusão dupla. Ele foi capaz de fazer observações em luz polarizada, e seu microscópio foi equipado com um estágio quente (porta-amostras equipado com um aquecedor) permitindo observações de alta temperatura. A fase turva intermediária claramente sustentou o fluxo, mas outras características, particularmente a assinatura ao microscópio, convenceram Lehmann de que ele estava lidando com um sólido. No final de agosto de 1889, ele publicou seus resultados no Zeitschrift für Physikalische Chemie .

Otto Lehmann

O trabalho de Lehmann foi continuado e significativamente expandido pelo químico alemão Daniel Vorländer , que desde o início do século 20 até sua aposentadoria em 1935, havia sintetizado a maioria dos cristais líquidos conhecidos. No entanto, os cristais líquidos não eram populares entre os cientistas e o material permaneceu uma pura curiosidade científica por cerca de 80 anos.

Após a Segunda Guerra Mundial, o trabalho na síntese de cristais líquidos foi reiniciado em laboratórios de pesquisa de universidades na Europa. George William Gray , um proeminente pesquisador de cristais líquidos, começou a investigar esses materiais na Inglaterra no final dos anos 1940. Seu grupo sintetizou muitos novos materiais que exibiram o estado líquido-cristalino e desenvolveu uma melhor compreensão de como projetar moléculas que exibem o estado. Seu livro Estrutura molecular e as propriedades dos cristais líquidos tornou-se um guia sobre o assunto. Um dos primeiros químicos dos EUA a estudar cristais líquidos foi Glenn H. Brown, começando em 1953 na Universidade de Cincinnati e mais tarde na Kent State University . Em 1965, ele organizou a primeira conferência internacional sobre cristais líquidos, em Kent, Ohio, com a participação de cerca de 100 dos maiores cientistas de cristal líquido do mundo. Esta conferência marcou o início de um esforço mundial para realizar pesquisas neste campo, o que logo levou ao desenvolvimento de aplicações práticas para esses materiais exclusivos.

Os materiais de cristal líquido se tornaram um foco de pesquisa no desenvolvimento de monitores eletrônicos de tela plana a partir de 1962 nos Laboratórios RCA . Quando o físico-químico Richard Williams aplicou um campo elétrico a uma fina camada de um cristal líquido nemático a 125 ° C, ele observou a formação de um padrão regular que chamou de domínios (agora conhecido como Domínios de Williams). Isso levou seu colega George H. Heilmeier a realizar pesquisas em um display de tela plana baseado em cristal líquido para substituir o tubo de vácuo de raios catódicos usado em televisores. Mas o para-azoxyanisole que Williams e Heilmeier usaram exibe o estado de cristal líquido nemático acima de 116 ° C, o que o torna impraticável para uso em um produto de exibição comercial. Um material que pudesse ser operado em temperatura ambiente era claramente necessário.

Em 1966, Joel E. Goldmacher e Joseph A. Castellano, pesquisadores químicos do grupo Heilmeier na RCA, descobriram que misturas feitas exclusivamente de compostos nemáticos que diferiam apenas no número de átomos de carbono nas cadeias laterais terminais poderiam produzir líquido nemático à temperatura ambiente cristais. Uma mistura ternária de compostos de base de Schiff resultou em um material que tinha uma faixa nemática de 22–105 ° C. A operação em temperatura ambiente possibilitou a realização do primeiro display prático. A equipe então começou a preparar várias misturas de compostos nemáticos, muitos dos quais tinham pontos de fusão muito mais baixos. Esta técnica de mistura de compostos nemáticos para obter uma ampla faixa de temperatura operacional eventualmente se tornou o padrão da indústria e ainda é usada para adaptar materiais para atender a aplicações específicas.

Estrutura química da molécula de N- (4-metoxibenzilideno) -4-butilanilina (MBBA)

Em 1969, Hans Kelker conseguiu sintetizar uma substância que tinha uma fase nemática à temperatura ambiente, o MBBA , que é um dos temas mais populares de pesquisa de cristal líquido. O próximo passo para a comercialização de visores de cristal líquido foi a síntese de outras substâncias quimicamente estáveis ​​(cianobifenilas) com baixas temperaturas de fusão por George Gray . Esse trabalho com Ken Harrison e o UK MOD ( RRE Malvern ), em 1973, levou ao design de novos materiais, resultando na rápida adoção de LCDs de pequenas áreas em produtos eletrônicos.

Essas moléculas têm a forma de bastonetes, algumas criadas em laboratório e outras surgindo espontaneamente na natureza. Desde então, dois novos tipos de moléculas LC foram sintetizados: em forma de disco (por Sivaramakrishna Chandrasekhar na Índia em 1977) e em forma de cone ou tigela (prevista por Lui Lam na China em 1982 e sintetizada na Europa em 1985).

Em 1991, quando os visores de cristal líquido já estavam bem estabelecidos, Pierre-Gilles de Gennes, que trabalhava na Université Paris-Sud, recebeu o Prêmio Nobel de Física "por descobrir que métodos desenvolvidos para estudar fenômenos de ordem em sistemas simples podem ser generalizados para formas mais complexas de matéria, em particular de cristais líquidos e polímeros ".

Projeto de materiais líquidos cristalinos

Um grande número de compostos químicos são conhecidos por exibir uma ou várias fases cristalinas líquidas. Apesar das diferenças significativas na composição química, essas moléculas têm algumas características comuns nas propriedades químicas e físicas. Existem três tipos de cristais líquidos termotrópicos: moléculas discóticas, cônicas (intestinais) e em forma de bastonete. Discóticos são moléculas semelhantes a discos que consistem em um núcleo plano de anéis aromáticos adjacentes, enquanto o núcleo em um LC cônico não é plano, mas tem a forma de uma tigela de arroz (um objeto tridimensional). Isso permite a ordenação colunar bidimensional, para LCs discóticos e cônicos. As moléculas em forma de bastão têm uma geometria anisotrópica alongada que permite o alinhamento preferencial ao longo de uma direção espacial.

• A forma molecular deve ser relativamente fina, plana ou cônica, especialmente dentro de estruturas moleculares rígidas.
• O comprimento molecular deve ser de pelo menos 1,3 nm, consistente com a presença de grupo alquil longo em muitos cristais líquidos à temperatura ambiente.
• A estrutura não deve ser ramificada ou angular, exceto para o LC cônico.
• Um ponto de fusão baixo é preferível para evitar fases cristalinas líquidas monotrópicas e metaestáveis. O comportamento mesomórfico de baixa temperatura em geral é tecnologicamente mais útil, e os grupos alquil terminais promovem isso.

Uma forma estendida, estruturalmente rígida e altamente anisotrópica parece ser o principal critério para o comportamento líquido-cristalino e, como resultado, muitos materiais líquido-cristalinos são baseados em anéis de benzeno.

Fases de cristal líquido

As várias fases do cristal líquido (chamadas mesofases ) podem ser caracterizadas pelo tipo de ordenação. Pode-se distinguir a ordem posicional (se as moléculas estão organizadas em qualquer tipo de rede ordenada) e a ordem orientacional (se as moléculas estão principalmente apontando na mesma direção) e, além disso, a ordem pode ser de curto alcance (apenas entre moléculas próximas umas das outras) ou de longo alcance (estendendo-se a dimensões maiores, às vezes macroscópicas ). A maioria dos LCs termotrópicos terá uma fase isotrópica em alta temperatura. Ou seja, o aquecimento acabará por conduzi-los a uma fase líquida convencional caracterizada por ordenação molecular aleatória e isotrópica (ordem de pouco ou nenhum longo alcance) e comportamento de fluxo semelhante ao de fluido . Sob outras condições (por exemplo, temperatura mais baixa), um LC pode habitar uma ou mais fases com estrutura de orientação anisotrópica significativa e ordem de orientação de curto alcance, embora ainda tenha a capacidade de fluir.

A ordenação das fases líquido-cristalinas é extensa na escala molecular. Essa ordem se estende até todo o tamanho do domínio, que pode ser da ordem de micrômetros, mas geralmente não se estende até a escala macroscópica, como costuma ocorrer em sólidos cristalinos clássicos . No entanto, algumas técnicas, como o uso de limites ou um campo elétrico aplicado , podem ser usadas para impor um único domínio ordenado em uma amostra macroscópica de cristal líquido. A ordem de orientação em um cristal líquido pode se estender ao longo de apenas uma dimensão , com o material sendo essencialmente desordenado nas outras duas direções.

Cristais líquidos termotrópicos

As fases termotrópicas são aquelas que ocorrem em uma determinada faixa de temperatura. Se o aumento de temperatura for muito alto, o movimento térmico destruirá a delicada ordem cooperativa da fase LC, empurrando o material para uma fase líquida isotrópica convencional. Em temperatura muito baixa, a maioria dos materiais LC formarão um cristal convencional. Muitos LCs termotrópicos exibem uma variedade de fases conforme a temperatura é alterada. Por exemplo, ao aquecer um tipo particular de molécula LC (chamada mesogênio ) pode exibir várias fases esméticas seguidas pela fase nemática e finalmente a fase isotrópica conforme a temperatura aumenta. Um exemplo de um composto que exibe comportamento termotrópico de LC é o para-azoxianisol .

Fase nemática

Alinhamento em uma fase nemática

Transição de fase entre uma fase nemática (esquerda) e esmética A (direita) observada entre os polarizadores cruzados . A cor preta corresponde ao meio isotrópico.

Uma das fases LC mais comuns é a nemática. A palavra nemático vem do grego νήμα ( grego : nema ), que significa "fio". Este termo se origina dos defeitos topológicos semelhantes a fios observados em nemáticos, que são formalmente chamados de ' revelações '. Nematics também exibem os chamados defeitos topológicos "ouriço". Em uma fase nemática, as moléculas orgânicas calamíticas ou em forma de bastão não têm ordem posicional, mas se auto-alinham para ter uma ordem direcional de longo alcance com seus eixos longos aproximadamente paralelos. Assim, as moléculas estão livres para fluir e suas posições de centro de massa são distribuídas aleatoriamente como em um líquido, mas ainda mantêm sua ordem direcional de longo alcance. A maioria dos nemáticos é uniaxial: eles têm um eixo (denominado diretriz) que é mais longo e preferido, com os outros dois sendo equivalentes (podem ser aproximados como cilindros ou hastes). No entanto, alguns cristais líquidos são nemáticos biaxiais , o que significa que, além de orientar seu eixo longo, eles também se orientam ao longo de um eixo secundário. Os nemáticos têm fluidez semelhante à dos líquidos comuns (isotrópicos), mas podem ser facilmente alinhados por um campo magnético ou elétrico externo. Nemáticos alinhados têm as propriedades ópticas de cristais uniaxiais e isso os torna extremamente úteis em telas de cristal líquido (LCD).

Os cientistas descobriram que os elétrons podem se unir para fluir juntos em campos magnéticos elevados, para criar uma forma de matéria "nemática eletrônica".

Fases esméticas

Esquema de alinhamento nas fases esméticas. A fase esmética A (à esquerda) possui moléculas organizadas em camadas. Na fase esmética C (direita), as moléculas são inclinadas dentro das camadas.

As fases esméticas, encontradas em temperaturas mais baixas do que as nemáticas, formam camadas bem definidas que podem deslizar umas sobre as outras de maneira semelhante à do sabão. A palavra "esmético" origina-se da palavra latina "smecticus", que significa limpeza ou tendo propriedades semelhantes a sabão. As esméticas são, portanto, ordenadas posicionalmente ao longo de uma direção. Na fase esmética A, as moléculas são orientadas ao longo da camada normal, enquanto na fase esmética C elas são inclinadas para longe dela. Essas fases são como líquido dentro das camadas. Existem muitas fases esméticas diferentes, todas caracterizadas por diferentes tipos e graus de ordem posicional e orientacional. Além das moléculas orgânicas, a ordenação esmética também foi relatada como ocorrendo em suspensões coloidais de materiais 2-D ou nanofolhas.

Fases quirais ou nemáticas torcidas

Esquema de ordenação em fases quirais de cristal líquido. A fase nemática quiral (esquerda), também chamada de fase colestérica, e a fase esmética C * (direita).

A fase nemática quiral exibe quiralidade (lateralidade). Esta fase é freqüentemente chamada de fase colestérica porque foi observada pela primeira vez para derivados de colesterol . Apenas moléculas quirais podem dar origem a essa fase. Esta fase exibe uma torção das moléculas perpendiculares ao diretor, com o eixo molecular paralelo ao diretor. O ângulo de torção finito entre as moléculas adjacentes é devido ao seu empacotamento assimétrico, que resulta em uma ordem quiral de longo alcance. Na fase esmética C * (um asterisco denota uma fase quiral), as moléculas têm ordenação posicional em uma estrutura em camadas (como nas outras fases esméticas), com as moléculas inclinadas por um ângulo finito em relação à camada normal. A quiralidade induz uma torção azimutal finita de uma camada para a próxima, produzindo uma torção em espiral do eixo molecular ao longo da camada normal.

Fase nemática quiral; p refere-se ao tom quiral (ver texto)

O passo quiral , p, refere-se à distância sobre a qual as moléculas de LC sofrem uma torção completa de 360 ​​° (mas observe que a estrutura da fase nemática quiral se repete a cada meio-tom, uma vez que nesta fase os diretores a 0 ° e ± 180 ° são equivalentes). O pitch, p, normalmente muda quando a temperatura é alterada ou quando outras moléculas são adicionadas ao hospedeiro LC (um material hospedeiro LC aquiral formará uma fase quiral se dopado com um material quiral), permitindo que o pitch de um determinado material seja sintonizado em conformidade. Em alguns sistemas de cristal líquido, o passo é da mesma ordem que o comprimento de onda da luz visível . Isso faz com que esses sistemas exibam propriedades ópticas exclusivas, como reflexão de Bragg e emissão de laser de baixo limiar , e essas propriedades são exploradas em várias aplicações ópticas. Para o caso da reflexão de Bragg, apenas a reflexão de ordem inferior é permitida se a luz incide ao longo do eixo helicoidal, enquanto que para a incidência oblíqua, as reflexões de ordem superior são permitidas. Os cristais líquidos colestéricos também exibem a propriedade única de refletirem luz polarizada circularmente quando ela incide ao longo do eixo helicoidal e polarizada elipticamente se vier obliquamente.

Uma célula planar, preenchida com hospedeiro LC aquiral dopado com um análogo de base Tröger opticamente ativo, colocado entre um par de polarizadores lineares paralelos (A) e cruzados (B). Esta fase mesogênica dopada forma superestruturas helicoidais auto-organizadas, que permitem que comprimentos de onda específicos de luz passem pelos polarizadores cruzados e refletem seletivamente um determinado comprimento de onda de luz.

As fases azuis são fases de cristal líquido que aparecem na faixa de temperatura entre uma fase nemática quiral e uma fase líquida isotrópica . As fases azuis têm uma estrutura cúbica tridimensional regular de defeitos com períodos de rede de várias centenas de nanômetros e, portanto, exibem reflexos de Bragg seletivos na faixa de comprimento de onda da luz visível correspondente à rede cúbica . Foi teoricamente previsto em 1981 que essas fases podem possuir simetria icosaédrica semelhante a quasicristais .

Embora as fases azuis sejam de interesse para moduladores de luz rápidos ou cristais fotônicos sintonizáveis , elas existem em uma faixa de temperatura muito estreita, geralmente menos do que alguns Kelvin . Recentemente, foi demonstrada a estabilização das fases azuis em uma faixa de temperatura de mais de 60 K, incluindo a temperatura ambiente (260–326 K). As fases azuis estabilizadas à temperatura ambiente permitem comutação eletro-óptica com tempos de resposta da ordem de 10 ⁻⁴  s. Em maio de 2008, o primeiro painel LCD do modo de fase azul foi desenvolvido.

Os cristais de fase azul, sendo uma estrutura cúbica periódica com um bandgap na faixa de comprimento de onda visível, podem ser considerados cristais fotônicos 3D . Produzir cristais de fase azul ideais em grandes volumes ainda é problemático, uma vez que os cristais produzidos são geralmente policristalinos (estrutura de plaquetas) ou o tamanho do cristal único é limitado (na faixa do micrômetro). Recentemente, fases azuis obtidas como cristais fotônicos 3D ideais em grandes volumes foram estabilizadas e produzidas com diferentes orientações de rede cristalina controladas.

Fases discóticas

As moléculas LC em forma de disco podem se orientar em uma forma de camada conhecida como fase nemática discótica. Se os discos forem agrupados em pilhas, a fase é chamada de colunar discótica . As próprias colunas podem ser organizadas em matrizes retangulares ou hexagonais. As fases discóticas quirais, semelhantes à fase nemática quiral, também são conhecidas.

Fases cônicas

Moléculas LC cônicas, como em discóticos, podem formar fases colunares. Outras fases, como as fases nemática não polar, nemática polar, feijão-corda, donut e cebola, foram previstas. As fases cônicas, exceto nemáticas não polares, são fases polares.

Cristais líquidos liotrópicos

Estrutura do cristal líquido liotrópico. As cabeças vermelhas das moléculas de surfactante estão em contato com a água, enquanto as caudas estão imersas no óleo (azul): bicamada (esquerda) e micela (direita).

Um cristal líquido liotrópico consiste em dois ou mais componentes que exibem propriedades líquido-cristalinas em certas faixas de concentração. Nas fases liotrópicas , as moléculas de solvente preenchem o espaço ao redor dos compostos para fornecer fluidez ao sistema. Em contraste com os cristais líquidos termotrópicos, esses liotrópicos têm outro grau de liberdade de concentração que os permite induzir uma variedade de fases diferentes.

Um composto que possui duas partes hidrofílicas e hidrofóbicas imiscíveis na mesma molécula é denominado molécula anfifílica . Muitas moléculas anfifílicas mostram sequências de fase líquido-cristalina liotrópicas dependendo dos balanços de volume entre a parte hidrofílica e a parte hidrofóbica. Essas estruturas são formadas pela segregação microfásica de dois componentes incompatíveis em escala nanométrica. O sabão é um exemplo comum de cristal líquido liotrópico.

O conteúdo de água ou outras moléculas de solvente muda as estruturas auto-montadas. Em concentrações anfifílicas muito baixas, as moléculas serão dispersas aleatoriamente sem qualquer ordem. Em uma concentração um pouco mais alta (mas ainda baixa), as moléculas anfifílicas se agrupam espontaneamente em micelas ou vesículas . Isso é feito de modo a "esconder" a cauda hidrofóbica do anfifílico dentro do núcleo da micela, expondo uma superfície hidrofílica (solúvel em água) à solução aquosa. Esses objetos esféricos não se ordenam em solução, no entanto. Em concentração mais alta, os conjuntos serão solicitados. Uma fase típica é uma fase hexagonal colunar, onde os anfifílicos formam longos cilindros (novamente com uma superfície hidrofílica) que se organizam em uma estrutura aproximadamente hexagonal. Isso é chamado de fase intermediária de sabão. Em uma concentração ainda mais alta, uma fase lamelar (fase de sabão puro) pode se formar, em que folhas estendidas de anfifílicos são separadas por camadas finas de água. Para alguns sistemas, uma fase cúbica (também chamada de isotrópica viscosa) pode existir entre as fases hexagonal e lamelar, em que esferas são formadas que criam uma rede cúbica densa. Essas esferas também podem ser conectadas entre si, formando uma fase cúbica bicontínua.

Os objetos criados por anfifílicos são geralmente esféricos (como no caso das micelas), mas também podem ser semelhantes a discos (bicelas), semelhantes a hastes ou biaxiais (todos os três eixos de micelas são distintos). Essas nanoestruturas anisotrópicas automontadas podem então se ordenar da mesma maneira que os cristais líquidos termotrópicos, formando versões em grande escala de todas as fases termotrópicas (como uma fase nemática de micelas em forma de bastão).

Para alguns sistemas, em altas concentrações, as fases inversas são observadas. Ou seja, pode-se gerar uma fase colunar hexagonal inversa (colunas de água encapsuladas por anfifílicos) ou uma fase micelar inversa (uma amostra de cristal líquido com cavidades esféricas de água).

Uma progressão genérica de fases, indo de baixa para alta concentração de anfifílicos, é:

• Fase cúbica descontínua ( fase cúbica micelar )
• Fase hexagonal ( fase colunar hexagonal) (fase intermediária)
• Fase lamelar
• Fase cúbica bicontínua
• Fase colunar hexagonal reversa
• Fase cúbica inversa (fase micelar inversa)

Mesmo dentro das mesmas fases, suas estruturas automontadas são ajustáveis ​​pela concentração: por exemplo, nas fases lamelares, as distâncias das camadas aumentam com o volume do solvente. Como os cristais líquidos liotrópicos dependem de um equilíbrio sutil de interações intermoleculares, é mais difícil analisar suas estruturas e propriedades do que os cristais líquidos termotrópicos.

Fases e características semelhantes podem ser observadas em copolímeros diblocos imiscíveis .

Cristais líquidos metalotrópicos

As fases de cristal líquido também podem ser baseadas em fases inorgânicas de baixo ponto de fusão, como ZnCl _2, que têm uma estrutura formada por tetraedros ligados e facilmente formam vidros. A adição de moléculas semelhantes a sabão de cadeia longa leva a uma série de novas fases que apresentam uma variedade de comportamento líquido-cristalino, tanto em função da proporção da composição orgânico-inorgânico quanto da temperatura. Essa classe de materiais foi denominada metalotrópica.

Análise laboratorial de mesofases

As mesofases termotrópicas são detectadas e caracterizadas por dois métodos principais, o método original era o uso de microscopia ótica térmica, na qual uma pequena amostra do material era colocada entre dois polarizadores cruzados; a amostra foi então aquecida e resfriada. Como a fase isotrópica não afetaria significativamente a polarização da luz, ela pareceria muito escura, enquanto as fases de cristal e de cristal líquido polarizarão a luz de maneira uniforme, levando a gradientes de brilho e cor. Este método permite a caracterização de uma determinada fase, pois as diferentes fases são definidas pela sua ordem particular, que deve ser observada. O segundo método, calorimetria diferencial de varredura (DSC), permite a determinação mais precisa das transições de fase e entalpias de transição. No DSC, uma pequena amostra é aquecida de uma forma que gera uma mudança muito precisa na temperatura em relação ao tempo. Durante as transições de fase, o fluxo de calor necessário para manter essa taxa de aquecimento ou resfriamento mudará. Essas mudanças podem ser observadas e atribuídas a várias transições de fase, como as principais transições de cristal líquido.

As mesofases liotrópicas são analisadas de maneira semelhante, embora esses experimentos sejam um pouco mais complexos, já que a concentração de mesogênio é um fator chave. Esses experimentos são executados em várias concentrações de mesogênio para analisar esse impacto.

Cristais líquidos biológicos

As fases liotrópicas líquido-cristalinas são abundantes em sistemas vivos, cujo estudo é referido como polimorfismo lipídico . Consequentemente, os cristais líquidos liotrópicos atraem atenção particular no campo da química biomimética. Em particular, as membranas biológicas e as membranas celulares são uma forma de cristal líquido. Suas moléculas constituintes (por exemplo, fosfolipídios ) são perpendiculares à superfície da membrana, embora a membrana seja flexível. Esses lipídios variam em forma (consulte a página sobre polimorfismo de lipídios ). As moléculas constituintes podem se misturar facilmente, mas tendem a não deixar a membrana devido à alta necessidade de energia desse processo. As moléculas de lipídios podem virar de um lado para o outro da membrana, sendo esse processo catalisado por flippases e floppases (dependendo da direção do movimento). Essas fases da membrana de cristal líquido também podem hospedar proteínas importantes, como receptores que "flutuam" livremente dentro ou parcialmente fora da membrana, por exemplo, CCT.

Muitas outras estruturas biológicas exibem comportamento de cristal líquido. Por exemplo, a solução concentrada de proteína que é extrudada por uma aranha para gerar seda é, na verdade, uma fase de cristal líquido. A ordem precisa das moléculas da seda é crítica para sua reconhecida força. O DNA e muitos polipeptídeos , incluindo filamentos do citoesqueleto ativamente acionados, também podem formar fases de cristal líquido. Monocamadas de células alongadas também foram descritas para exibir comportamento de cristal líquido, e os defeitos topológicos associados foram associados a consequências biológicas, incluindo morte celular e extrusão. Juntas, essas aplicações biológicas de cristais líquidos formam uma parte importante da pesquisa acadêmica atual.

Cristais líquidos minerais

Exemplos de cristais líquidos também podem ser encontrados no mundo mineral, a maioria deles liotrópicos. O primeiro descoberto foi o óxido de vanádio (V) , por Zocher em 1925. Desde então, poucos outros foram descobertos e estudados em detalhes. A existência de uma verdadeira fase nemática no caso da família das argilas esmectitas foi levantada por Langmuir em 1938, mas permaneceu uma questão em aberto por muito tempo e só foi confirmada recentemente.

Com o rápido desenvolvimento das nanociências e a síntese de muitas novas nanopartículas anisotrópicas, o número desses cristais líquidos minerais está aumentando rapidamente, com, por exemplo, nanotubos de carbono e grafeno. Uma fase lamelar foi até descoberta, H ₃ Sb ₃ P ₂ O ₁₄ , que exibe hiperfluxo de até ~ 250 nm para a distância interlamelar.

Formação de padrões em cristais líquidos

A anisotropia de cristais líquidos é uma propriedade não observada em outros fluidos. Essa anisotropia faz com que os fluxos de cristais líquidos se comportem de maneira mais diferenciada do que os de fluidos comuns. Por exemplo, a injeção de um fluxo de um cristal líquido entre duas placas paralelas próximas ( digitação viscosa ) faz com que a orientação das moléculas se acople ao fluxo, com o surgimento resultante de padrões dendríticos. Essa anisotropia também se manifesta na energia interfacial ( tensão superficial ) entre as diferentes fases do cristal líquido. Essa anisotropia determina a forma de equilíbrio na temperatura de coexistência e é tão forte que geralmente aparecem facetas. Quando a temperatura é alterada, uma das fases cresce, formando diferentes morfologias dependendo da mudança de temperatura. Como o crescimento é controlado pela difusão de calor, a anisotropia na condutividade térmica favorece o crescimento em direções específicas, o que também afeta a forma final.

Tratamento teórico de cristais líquidos

O tratamento teórico microscópico de fases de fluido pode se tornar bastante complicado, devido à alta densidade do material, o que significa que fortes interações, repulsões de núcleo duro e correlações de muitos corpos não podem ser ignoradas. No caso de cristais líquidos, a anisotropia em todas essas interações complica ainda mais a análise. Existem várias teorias bastante simples, no entanto, que podem pelo menos prever o comportamento geral das transições de fase em sistemas de cristal líquido.

Diretor

Como já vimos acima, os cristais líquidos nemáticos são compostos de moléculas semelhantes a bastonetes com os longos eixos das moléculas vizinhas alinhadas aproximadamente entre si. Para descrever essa estrutura anisotrópica, um vetor unitário adimensional n chamado de diretor é introduzido para representar a direção da orientação preferencial das moléculas na vizinhança de qualquer ponto. Como não há polaridade física ao longo do eixo do diretor, n e -n são totalmente equivalentes.

Parâmetro de pedido

O diretor nemático local , que também é o eixo óptico local , é dado pela média espacial e temporal dos longos eixos moleculares.

A descrição dos cristais líquidos envolve uma análise da ordem. Um parâmetro de ordem de tensor sem traço simétrico de segunda ordem é usado para descrever a ordem de orientação de um cristal líquido nemático, embora um parâmetro de ordem escalar seja geralmente suficiente para descrever cristais líquidos nemáticos uniaxiais. Para fazer isso quantitativo, um parâmetro de ordem orientacional é geralmente definido com base na média do segundo polinômio de Legendre :

${\ displaystyle S = \ langle P_ {2} (\ cos \ theta) \ rangle = \ left \ langle {\ frac {3 \ cos ^ {2} (\ theta) -1} {2}} \ right \ rangle }$

onde é o ângulo entre o eixo molecular de cristal líquido e o diretor local (que é a 'direção preferencial' em um elemento de volume de uma amostra de cristal líquido, também representando seu eixo óptico local ). Os colchetes denotam uma média temporal e espacial. Esta definição é conveniente, uma vez que para uma amostra completamente aleatória e isotrópica, S  = 0, enquanto para uma amostra perfeitamente alinhada S = 1. Para uma amostra típica de cristal líquido, S é da ordem de 0,3 a 0,8 e geralmente diminui à medida que a temperatura aumenta. Em particular, uma queda acentuada do parâmetro de ordem para 0 é observada quando o sistema passa por uma transição de fase de uma fase LC para a fase isotrópica. O parâmetro de ordem pode ser medido experimentalmente de várias maneiras; por exemplo, diamagnetismo , birrefringência , espalhamento Raman , NMR e EPR podem ser usados ​​para determinar S. ${\ displaystyle \ theta}$

A ordem de um cristal líquido também pode ser caracterizada pelo uso de outros polinômios pares de Legendre (a média de todos os polinômios ímpares é zero, pois o diretor pode apontar em qualquer uma das duas direções antiparalelas). Essas médias de ordem superior são mais difíceis de medir, mas podem fornecer informações adicionais sobre a ordem molecular.

Um parâmetro de ordem posicional também é usado para descrever a ordem de um cristal líquido. É caracterizada pela variação da densidade do centro de massa das moléculas de cristal líquido ao longo de um determinado vetor. No caso de variação posicional ao longo do eixo z, a densidade é frequentemente dada por: ${\ displaystyle \ rho (z)}$

${\ displaystyle \ rho (\ mathbf {r}) = \ rho (z) = \ rho _ {0} + \ rho _ {1} \ cos (q_ {s} z- \ varphi) + \ cdots \,}$

O parâmetro de ordem posicional complexo é definido como e a densidade média. Normalmente, apenas os dois primeiros termos são mantidos e os termos de ordem superior são ignorados, uma vez que a maioria das fases pode ser descrita adequadamente usando funções senoidais. Para um nemático perfeito e para uma fase esmética assumirão valores complexos. A natureza complexa deste parâmetro de ordem permite muitos paralelos entre as transições de fase nemática para esmética e transições condutor para supercondutor. ${\ displaystyle \ psi (\ mathbf {r}) = \ rho _ {1} (\ mathbf {r}) e ^ {i \ varphi (\ mathbf {r})}}$${\ displaystyle \ rho _ {0}}$${\ displaystyle \ psi = 0}$${\ displaystyle \ psi}$

Modelo de hard-rod Onsager

Um modelo simples que prevê as transições de fase liotrópica é o modelo do hard-rod proposto por Lars Onsager . Esta teoria considera o volume excluído do centro de massa de um cilindro idealizado conforme ele se aproxima de outro. Especificamente, se os cilindros são orientados paralelamente uns aos outros, há muito pouco volume que é excluído do centro de massa do cilindro que se aproxima (pode chegar bem perto do outro cilindro). Se, no entanto, os cilindros estão em algum ângulo entre si, então há um grande volume em torno do cilindro no qual o centro de massa do cilindro que se aproxima não pode entrar (devido à repulsão da haste rígida entre os dois objetos idealizados). Assim, este arranjo angular vê uma diminuição na entropia posicional líquida do cilindro que se aproxima (há menos estados disponíveis para ele).

O insight fundamental aqui é que, embora arranjos paralelos de objetos anisotrópicos levem a uma diminuição na entropia orientacional, há um aumento na entropia posicional. Assim, em alguns casos, uma ordem posicional maior será entropicamente favorável. Essa teoria, portanto, prevê que uma solução de objetos em forma de bastão passará por uma transição de fase, em concentração suficiente, para uma fase nemática. Embora este modelo seja conceitualmente útil, sua formulação matemática faz várias suposições que limitam sua aplicabilidade a sistemas reais.

Maier-Saupe significa teoria de campo

Esta teoria estatística, proposta por Alfred Saupe e Wilhelm Maier, inclui contribuições de um potencial intermolecular atraente de um momento de dipolo induzido entre moléculas de cristal líquido semelhantes a bastonetes. A atração anisotrópica estabiliza o alinhamento paralelo de moléculas vizinhas, e a teoria então considera uma média de campo médio da interação. Resolvida de forma autoconsistente, esta teoria prevê transições de fase nemático-isotrópicas termotrópicas, consistentes com o experimento. A teoria de campo média de Maier-Saupe é estendida para cristais líquidos de alto peso molecular, incorporando a rigidez à flexão das moléculas e usando o método de integrais de caminho na ciência do polímero .

Modelo de McMillan

O modelo de McMillan, proposto por William McMillan, é uma extensão da teoria de campo médio de Maier-Saupe usada para descrever a transição de fase de um cristal líquido de uma fase nemática para uma fase A esmética. Ele prevê que a transição de fase pode ser contínua ou descontínua, dependendo da força da interação de curto alcance entre as moléculas. Como resultado, ele permite um ponto crítico triplo onde as fases A nemática, isotrópica e esmética se encontram. Embora preveja a existência de um ponto crítico triplo, não consegue prever seu valor. O modelo utiliza dois parâmetros de ordem que descrevem a ordem de orientação e posição do cristal líquido. O primeiro é simplesmente a média do segundo polinômio de Legendre e o parâmetro de segunda ordem é dado por:

${\ displaystyle \ sigma = \ left \ langle \ cos \ left ({\ frac {2 \ pi z_ {i}} {d}} \ right) \ left ({\ frac {3} {2}} \ cos ^ {2} \ left (\ theta _ {i} \ right) - {\ frac {1} {2}} \ right) \ right \ rangle}$

Os valores z _i , θ _i e d são a posição da molécula, o ângulo entre o eixo molecular e o diretor e o espaçamento da camada. A energia potencial postulada de uma única molécula é dada por:

${\ displaystyle U_ {i} (\ theta _ {i}, z_ {i}) = - U_ {0} \ left (S + \ alpha \ sigma \ cos \ left ({\ frac {2 \ pi z_ {i} } {d}} \ right) \ right) \ left ({\ frac {3} {2}} \ cos ^ {2} \ left (\ theta _ {i} \ right) - {\ frac {1} { 2}} \ direita)}$

Aqui, α constante quantifica a força da interação entre moléculas adjacentes. O potencial é então usado para derivar as propriedades termodinâmicas do sistema assumindo equilíbrio térmico. Isso resulta em duas equações de autoconsistência que devem ser resolvidas numericamente, cujas soluções são as três fases estáveis ​​do cristal líquido.

Teoria do continuum elástico

Nesse formalismo, um material de cristal líquido é tratado como um continuum; detalhes moleculares são totalmente ignorados. Em vez disso, esta teoria considera perturbações para uma amostra orientada presumida. As distorções do cristal líquido são comumente descritas pela densidade de energia livre de Frank . Pode-se identificar três tipos de distorções que podem ocorrer em uma amostra orientada: (1) torções do material, onde as moléculas vizinhas são forçadas a serem anguladas umas em relação às outras, ao invés de alinhadas; (2) espalhamento do material, onde a dobra ocorre perpendicularmente ao diretor; e (3) curvatura do material, onde a distorção é paralela ao diretor e ao eixo molecular. Todos os três tipos de distorção incorrem em uma penalidade de energia. São distorções induzidas pelas condições de contorno nas paredes do domínio ou no contêiner envolvente. A resposta do material pode então ser decomposta em termos com base nas constantes elásticas correspondentes aos três tipos de distorções. A teoria do contínuo elástico é uma ferramenta eficaz para modelar dispositivos de cristal líquido e bicamadas lipídicas.

Influências externas nos cristais líquidos

Cientistas e engenheiros são capazes de usar cristais líquidos em uma variedade de aplicações porque a perturbação externa pode causar mudanças significativas nas propriedades macroscópicas do sistema de cristal líquido. Ambos os campos elétricos e magnéticos podem ser usados ​​para induzir essas mudanças. A magnitude dos campos, bem como a velocidade com que as moléculas se alinham, são características importantes com as quais a indústria lida. Tratamentos de superfície especiais podem ser usados ​​em dispositivos de cristal líquido para forçar orientações específicas do diretor.

Efeitos de campo elétrico e magnético

A capacidade do diretor de se alinhar ao longo de um campo externo é causada pela natureza elétrica das moléculas. Os dipolos elétricos permanentes ocorrem quando uma extremidade de uma molécula possui uma carga líquida positiva, enquanto a outra extremidade possui uma carga líquida negativa. Quando um campo elétrico externo é aplicado ao cristal líquido, as moléculas dipolares tendem a se orientar ao longo da direção do campo.

Mesmo que uma molécula não forme um dipolo permanente, ela ainda pode ser influenciada por um campo elétrico. Em alguns casos, o campo produz um ligeiro rearranjo de elétrons e prótons nas moléculas, de modo que resulta em um dipolo elétrico induzido. Embora não seja tão forte quanto os dipolos permanentes, a orientação com o campo externo ainda ocorre.

A resposta de qualquer sistema a um campo elétrico externo é

${\ displaystyle D_ {i} = \ epsilon _ {0} E_ {i} + P_ {i}}$

onde , e são os componentes do campo elétrico, campo de deslocamento elétrico e densidade de polarização. A energia elétrica por volume armazenado no sistema é ${\ displaystyle E_ {i}}$${\ displaystyle D_ {i}}$${\ displaystyle P_ {i}}$

${\ displaystyle f _ {\ text {elec}} = - {\ frac {1} {2}} D_ {i} E_ {i}}$

(somatório sobre o índice de aparência dupla ). Em cristais líquidos nemáticos, a polarização e o deslocamento elétrico dependem linearmente da direção do campo elétrico. A polarização deve ser uniforme no diretor, pois os cristais líquidos são invariantes sob reflexos de . A forma mais geral de expressar é ${\ displaystyle i}$${\ displaystyle n}$${\ displaystyle D}$

${\ displaystyle D_ {i} = \ epsilon _ {0} \ epsilon _ {\ bot} E_ {i} + \ left (\ epsilon _ {\ parallel} - \ epsilon _ {\ bot} \ right) n_ {i } n_ {j} E_ {j}}$

(soma sobre o índice ) com e a permissividade elétrica paralela e perpendicular ao diretor . Então é densidade de energia (ignorando os termos constantes que não contribuem para a dinâmica do sistema) ${\ displaystyle j}$${\ displaystyle \ epsilon _ {\ bot}}$${\ displaystyle \ epsilon _ {\ parallel}}$${\ displaystyle n}$

${\ displaystyle f _ {\ text {elec}} = - {\ frac {1} {2}} \ epsilon _ {0} \ left (\ epsilon _ {\ parallel} - \ epsilon _ {\ bot} \ right) \ esquerda (E_ {i} n_ {i} \ direita) ^ {2}}$

(somatório ). Se for positivo, então o mínimo de energia é alcançado quando e são paralelos. Isso significa que o sistema favorecerá o alinhamento do cristal líquido com o campo elétrico aplicado externamente. Se for negativo, então o mínimo da energia é alcançado quando e são perpendiculares (em nemáticos a orientação perpendicular está degenerada, possibilitando o surgimento de vórtices). ${\ displaystyle i}$${\ displaystyle \ epsilon _ {\ parallel} - \ epsilon _ {\ bot}}$${\ displaystyle E}$${\ displaystyle n}$${\ displaystyle \ epsilon _ {\ parallel} - \ epsilon _ {\ bot}}$${\ displaystyle E}$${\ displaystyle n}$

A diferença é chamada de anisotropia dielétrica e é um parâmetro importante em aplicações de cristal líquido. Existem cristais líquidos comerciais e ambos . A mistura de cristal líquido 5CB e E7 são dois cristais líquidos comumente usados. MBBA é um cristal líquido comum . ${\ displaystyle \ Delta \ epsilon = \ epsilon _ {\ parallel} - \ epsilon _ {\ bot}}$${\ displaystyle \ Delta \ epsilon> 0}$${\ displaystyle \ Delta \ epsilon <0}$${\ displaystyle \ Delta \ epsilon> 0}$${\ displaystyle \ Delta \ epsilon <0}$

Os efeitos dos campos magnéticos nas moléculas de cristal líquido são análogos aos campos elétricos. Como os campos magnéticos são gerados por cargas elétricas em movimento, os dipolos magnéticos permanentes são produzidos por elétrons que se movem em torno dos átomos. Quando um campo magnético é aplicado, as moléculas tendem a se alinhar com ou contra o campo. A radiação eletromagnética, por exemplo, luz UV-visível, pode influenciar os cristais líquidos responsivos à luz que carregam principalmente pelo menos uma unidade foto comutável.

Preparações de superfície

Na ausência de um campo externo, o diretor de um cristal líquido está livre para apontar em qualquer direção. É possível, no entanto, forçar o diretor a apontar em uma direção específica, introduzindo um agente externo no sistema. Por exemplo, quando um fino revestimento de polímero (geralmente uma poliimida) é espalhado sobre um substrato de vidro e esfregado em uma única direção com um pano, observa-se que as moléculas de cristal líquido em contato com essa superfície se alinham com a direção de fricção. Acredita-se que o mecanismo atualmente aceito para isso seja um crescimento epitaxial das camadas de cristal líquido nas cadeias de polímero parcialmente alinhadas nas camadas próximas à superfície da poliimida.

Vários produtos químicos de cristal líquido também se alinham a uma 'superfície de comando' que, por sua vez, é alinhada pelo campo elétrico da luz polarizada. Este processo é denominado fotoalinhamento .

Transição de Fredericks

A competição entre a orientação produzida pela ancoragem na superfície e pelos efeitos do campo elétrico é frequentemente explorada em dispositivos de cristal líquido. Considere o caso em que as moléculas de cristal líquido estão alinhadas paralelamente à superfície e um campo elétrico é aplicado perpendicularmente à célula. No início, conforme o campo elétrico aumenta em magnitude, nenhuma mudança no alinhamento ocorre. No entanto, em uma magnitude limite de campo elétrico, ocorre deformação. A deformação ocorre quando o diretor muda sua orientação de uma molécula para a próxima. A ocorrência de tal mudança de um estado alinhado para um deformado é chamada de transição de Fredericks e também pode ser produzida pela aplicação de um campo magnético de força suficiente.

A transição de Fredericks é fundamental para a operação de muitos monitores de cristal líquido porque a orientação do diretor (e, portanto, as propriedades) pode ser controlada facilmente pela aplicação de um campo.

Efeito da quiralidade

Como já descrito, as moléculas de cristal líquido quirais geralmente dão origem a mesofases quirais. Isso significa que a molécula deve possuir alguma forma de assimetria, geralmente um centro estereogênico . Um requisito adicional é que o sistema não seja racêmico : uma mistura de moléculas destras e canhotas cancelará o efeito quiral. Devido à natureza cooperativa da ordenação de cristal líquido, no entanto, uma pequena quantidade de dopante quiral em uma mesofase aquiral é frequentemente suficiente para selecionar um domínio de lateralidade, tornando o sistema quiral geral.

As fases quirais geralmente têm uma torção helicoidal das moléculas. Se a inclinação dessa torção estiver na ordem do comprimento de onda da luz visível, efeitos interessantes de interferência óptica podem ser observados. A torção quiral que ocorre nas fases quirais LC também faz com que o sistema responda de maneira diferente da luz polarizada circularmente para destros e canhotos. Esses materiais podem, portanto, ser usados ​​como filtros de polarização .

É possível que as moléculas de LC quirais produzam mesofases essencialmente aquirais. Por exemplo, em certas faixas de concentração e peso molecular , o DNA formará uma fase hexática de linha aquiral. Uma observação recente interessante é sobre a formação de mesofases quirais a partir de moléculas LC aquirais. Especificamente, foi demonstrado que as moléculas de núcleo dobrado (às vezes chamadas de cristais líquidos de banana) formam fases de cristal líquido que são quirais. Em qualquer amostra particular, vários domínios terão lateralidade oposta, mas dentro de qualquer domínio, uma forte ordenação quiral estará presente. O mecanismo de aparecimento dessa quiralidade macroscópica ainda não está totalmente claro. Parece que as moléculas se empilham em camadas e se orientam de forma inclinada dentro das camadas. Essas fases de cristais líquidos podem ser ferroelétricas ou anti-ferroelétricas, ambas de interesse para aplicações.

A quiralidade também pode ser incorporada em uma fase pela adição de um dopante quiral , que pode não formar LCs por si só. As misturas nemáticas torcidas ou super-torcidas geralmente contêm uma pequena quantidade de tais dopantes.

Aplicações de cristais líquidos

Estrutura do display de cristal líquido: 1 - filtro de polarização vertical, 2, 4 - vidro com eletrodos, 3 - cristais líquidos, 5 - filtro de polarização horizontal, 6 - refletor

"Wikipedia" exibida em um LCD

Os cristais líquidos são amplamente utilizados em telas de cristal líquido, que dependem das propriedades ópticas de certas substâncias cristalinas na presença ou ausência de um campo elétrico . Em um dispositivo típico, uma camada de cristal líquido (normalmente 4 μm de espessura) fica entre dois polarizadores que são cruzados (orientados a 90 ° um do outro). O alinhamento do cristal líquido é escolhido de forma que sua fase relaxada seja torcida (veja Efeito de campo nemático torcido ). Esta fase torcida reorienta a luz que passou pelo primeiro polarizador, permitindo sua transmissão através do segundo polarizador (e refletida de volta para o observador se um refletor for fornecido). O dispositivo, portanto, parece transparente. Quando um campo elétrico é aplicado à camada LC, os longos eixos moleculares tendem a se alinhar paralelamente ao campo elétrico, assim, gradualmente se destorcendo no centro da camada de cristal líquido. Nesse estado, as moléculas de LC não reorientam a luz, de modo que a luz polarizada no primeiro polarizador é absorvida no segundo polarizador e o dispositivo perde transparência com o aumento da voltagem. Desta forma, o campo elétrico pode ser usado para fazer uma troca de pixel entre transparente ou opaco no comando. Os sistemas LCD coloridos usam a mesma técnica, com filtros coloridos usados ​​para gerar pixels vermelhos, verdes e azuis. Cristais líquidos esméticos quirais são usados ​​em LCDs ferroelétricos que são moduladores de luz binários de comutação rápida. Princípios semelhantes podem ser usados ​​para fazer outros dispositivos ópticos baseados em cristal líquido.

Filtros sintonizáveis ​​de cristal líquido são usados ​​como dispositivos eletroópticos , por exemplo, em imagens hiperespectrais .

Termotrópico quiral das CLs cujo passo varia fortemente com a temperatura pode ser utilizado como bruto termómetros de cristal líquido , uma vez que a cor do material mudará quando o campo é alterado. As transições de cores de cristal líquido são usadas em muitos termômetros de aquários e piscinas, bem como em termômetros para bebês ou banheiras. Outros materiais de cristal líquido mudam de cor quando esticados ou estressados. Assim, as folhas de cristal líquido são frequentemente usadas na indústria para procurar pontos quentes, mapear o fluxo de calor, medir os padrões de distribuição de tensão e assim por diante. O cristal líquido na forma de fluido é usado para detectar pontos quentes gerados eletricamente para análise de falhas na indústria de semicondutores .

As lentes de cristal líquido convergem ou divergem da luz incidente ajustando o índice de refração da camada de cristal líquido com a voltagem ou temperatura aplicada. Geralmente, as lentes de cristal líquido geram uma distribuição de índice de refração parabólica organizando as orientações moleculares. Portanto, uma onda plana é remodelada em uma frente de onda parabólica por uma lente de cristal líquido. A distância focal das lentes de cristal líquido pode ser continuamente ajustada quando o campo elétrico externo pode ser ajustado adequadamente. As lentes de cristal líquido são uma espécie de óptica adaptativa . O sistema de imagem pode ser beneficiado com correção de foco, ajuste do plano de imagem ou alteração da faixa de profundidade de campo ou profundidade de foco . A lente de cristal líquido é uma das candidatas a desenvolver um dispositivo de correção da visão para olhos de miopia e presbiopia (por exemplo, óculos ajustáveis ​​e lentes de contato inteligentes). Sendo um modulador de fase óptica , uma lente de cristal líquido apresenta um comprimento de caminho óptico variante do espaço (ou seja, o comprimento do caminho óptico em função da coordenada da pupila). Em diferentes sistemas de imagem, a função necessária do comprimento do caminho óptico varia de um para outro. Por exemplo, para convergir uma onda plana em um ponto limitado por difração, para uma estrutura de cristal líquido fisicamente plana, o índice de refração da camada de cristal líquido deve ser esférico ou parabolóide sob aproximação paraxial . Quanto à projeção de imagens ou objetos de detecção, pode-se esperar que tenha a lente de cristal líquido com distribuição asférica do comprimento do caminho óptico através de sua abertura de interesse. Lentes de cristal líquido com índice de refração eletricamente ajustável (abordando a magnitude diferente do campo elétrico na camada de cristal líquido) têm potenciais para atingir a função arbitrária do comprimento do caminho óptico para modular a frente de onda de entrada; elementos ópticos de forma livre de cristal líquido atuais foram estendidos de lentes de cristal líquido com os mesmos mecanismos ópticos. As aplicações de lentes de cristais líquidos incluem pico-projetores, lentes de prescrição (óculos ou lentes de contato), câmera de smartphone, realidade aumentada, realidade virtual, etc.

Os lasers de cristal líquido usam um cristal líquido no meio de laser como um mecanismo de feedback distribuído em vez de espelhos externos. A emissão em um bandgap fotônico criado pela estrutura dielétrica periódica do cristal líquido fornece um dispositivo de alto rendimento de baixo limiar com emissão monocromática estável.

As folhas e rolos de cristal líquido disperso de polímero (PDLC) estão disponíveis como filme inteligente com fundo adesivo que pode ser aplicado em janelas e eletricamente alternado entre transparente e opaco para fornecer privacidade.

Muitos fluidos comuns, como água com sabão , são na verdade cristais líquidos. O sabão forma uma variedade de fases LC dependendo de sua concentração na água.

Os filmes de cristal líquido revolucionaram o mundo da tecnologia. Atualmente são utilizados nos mais diversos aparelhos, como relógios digitais, telefones celulares, calculadoras e televisores. Pode ser possível a utilização de filmes de cristal líquido em dispositivos de memória óptica, com processo semelhante ao de gravação e leitura de CDs e DVDs.

Veja também

Referências

links externos

• "História e propriedades dos cristais líquidos" . Nobelprize.org . Recuperado em 6 de junho de 2009 .
• Definições de termos básicos relacionados a cristais líquidos de baixa massa molar e polímero (Recomendações IUPAC 2001)
• Uma introdução inteligível aos cristais líquidos da Case Western Reserve University
• Tutorial de Física do Cristal Líquido do Grupo de Cristais Líquidos da Universidade do Colorado
• Liquid Crystals & Photonics Group - Universidade de Ghent (Bélgica) , bom tutorial
• Simulação de propagação de luz em cristais líquidos , programa gratuito
• Liquid Crystals Interactive Online
• Liquid Crystal Institute Kent State University
• Liquid Crystals, um jornal de Taylor & Francis
• Molecular Crystals and Liquid Crystals um jornal de Taylor & Francis
• Técnicas de detecção de pontos quentes para ICs
• O que são cristais líquidos? da Chalmers University of Technology, Suécia
• Progress in Liquid Crystal Chemical Series in the Open Access Beilstein Journal of Organic Chemistry
• Pacote de Ensino e Aprendizagem DoITPoMS - "Cristais Líquidos"
• Cristal líquido Bowlic da San Jose State University
• Calibração de fase de um modulador de luz espacial