Cristales líquidos: ampliando nuestros conocimientos sobre los estados de la materia

Javier Fuertes Gimeno »

Hoy día pocas personas ignoran que sólido, líquido y gaseoso son los tres estados principales de la materia. Las nubes blancas y esponjosas, el océano espumoso y las rocas saladas de la playa reúnen todo lo que necesitamos para disfrutar de la vida, y sin embargo, estamos disfrutando con poco: la Naturaleza esconde mucho más, no siempre tan accesible a la experiencia ni tan explícito ante un ojo poco inquisidor. A lo largo de este artículo descubriremos por qué la materia es como es y algunas de sus propiedades ocultas, utilizando como tema central los cristales líquidos, una fase material descubierta hace poco más de cien años. Comencemos.

La estructura fundamental de las cosas

Partiendo del conocimiento de que la materia está formada por átomos, es necesario pensar que, dada la gran cantidad de formas con las que las que se nos presenta en la vida cotidiana, debe de haber numerosas formas de ordenar los átomos para crear cada una de ellas.

Consideremos lo siguiente: los átomos son partículas de naturaleza eléctrica, que al igual que los imanes, se atraen y repelen entre ellas en base a dos polos opuestos, la carga positiva y la carga negativa. La carga positiva, los protones, está en el núcleo, el corazón del átomo. Los electrones son la carga negativa, su masa es minúscula, y a pesar de ser partículas que pueden contarse -se han aislado electrones únicos en gotas de aceite, así fue como se descubrieron- su movimiento es tan rápido que nos referimos a ellos como si ocupasen al mismo tiempo toda una región alrededor del átomo que denominamos orbitales atómicos. Casi la totalidad de la masa del átomo, el 99,9%, se encuentra concentrada en el núcleo, y los electrones se encuentran en los orbitales formando una nube casi incorpórea de carga negativa. Las interacciones entre el núcleo positivo y las nubes de electrones negativas son la base de la forma que toda la materia adopta a nuestro alrededor.

Cuando dos átomos están lo suficientemente cerca, es como si dos imanes lo estuvieran. Llegados a cierta distancia entre ellos, los imanes caen irremediablemente uno en el abrazo del otro. Decir esto de los átomos sería simplificar mucho sus relaciones, ya que en un imán tanto el polo negativo como el positivo tienen la misma densidad, son simplemente dos caras de la misma moneda; en los átomos hemos de tener en cuenta que el núcleo es 99 veces más pesado y condensado en un pequeño punto, mientras que en la nube electrónica los electrones son minúsculos y se encuentran muy dispersos.

En lugar de atraerse sin freno hasta el choque, los átomos encuentran posiciones de equilibrio entre ellos, en los que cada uno de los núcleos atrae los electrones del otro, y al mismo tiempo se solventa la repulsión que los dos núcleos pesados causan entre ellos. En esta posición puede darse el caso de que los átomos se encuentren más estables juntos que cuando lo estaban por separado, siendo menos vulnerables a las interacciones con otros átomos, ya que la relación entre ellos los mantiene al margen de los sucesos de alrededor, y es cuando se dice que se ha producido un enlace químico.

Cuando dos o más átomos están enlazados, se ha formado una molécula, que es una entidad nueva por sí misma: las propiedades que posee son diferentes que las que tenían los átomos que la conforman. No obstante, las moléculas no son totalmente ajenas al medio que las rodea; son más estables que los átomos que las forman, sí, pero siguen manteniendo una naturaleza eléctrica y lo que ello conlleva: las partes negativas y las positivas se atraen, y al igual que los átomos encuentran el equilibrio entre ellos, así lo hacen las moléculas. Debido a la diferencia entre el tamaño de los núcleos y la carga total de electrones que cada átomo posee, algunos átomos atraen con más eficacia los electrones de los átomos adyacentes, de manera que las moléculas resultantes poseen regiones con mayor cantidad de carga eléctrica negativa y otras regiones, en las que faltan los electrones que se desplazaron, con carga positiva. A este fenómeno se le da el nombre de polaridad de la molécula, y junto con lo siguiente que veremos, resultará imprescindible para comprender el porqué de algunos estados de la materia.

Cuestión de velocidad

Saber cómo se relacionan los átomos y las moléculas entre sí es de suma importancia para comprender por qué las cosas que tocamos y vemos son como son. Tomaremos un vaso de agua, H₂O, como ejemplo. En condiciones del día a día, a temperatura ambiente el agua en el vaso es líquida, por debajo de 0ºC es sólida y si aumentamos a 100ºC, se evapora. Estas alteraciones en el estado del agua son sencillas de entender cuando comenzamos a considerar la temperatura no solo como el calor que se desprende de un cuerpo, sino como la velocidad a la que se mueven sus átomos o moléculas.

A finales del siglo XIX, los físicos Clausius, Maxwell y Boltzmann estudiaban el efecto del calor en la materia, sentando las bases de lo que sería la termodinámica. Aplicando un modelo matemático a las observaciones realizadas por los experimentadores de su tiempo acerca del comportamiento de los gases, establecieron la teoría cinética: si la materia está constituida por átomos y moléculas, estas están en continuo movimiento, siendo mayor su energía cinética (relación entre la velocidad y la masa) cuanto más alta sea la temperatura que se observa. Así que temperatura y velocidad, a nivel atómico, vienen a ser lo mismo.

Los estados agregados de la materia surgen de la relación entre la velocidad de las partículas de una sustancia y las interacciones eléctricas de las que hablábamos antes. En un líquido como el agua a temperatura ambiente, las moléculas de H₂O tienen una velocidad suficiente como para ignorar en cierta medida las atracciones entre sus polos negativos y positivos, y deslizarse unas por encima de otras sin una posición fija, pero no la suficiente como para alejarse unas de otras, por lo que se mantienen cohesionadas en una forma de materia que puede cambiar de forma y adaptarse al recipiente en el que se encuentre, pero cuyo volumen es constante pues las moléculas se siguen atrayendo entre sí. En un sólido, la velocidad de las partículas es demasiado baja como para obviar las interacciones eléctricas, y su comportamiento tipo “imán” se hace patente: los polos negativos se orientan hacia los positivos y las moléculas quedan prisioneras por la atracción de todas las moléculas circundantes, creando las bellas formas geométricas que conocemos como cristales. En el gas, la velocidad es tan alta que las partículas se ignoran casi por completo entre sí, moviéndose como locas de un sitio a otro, chocando con todo y rebotando como bolas de goma, apenas perdiendo velocidad en cada choque.

Esta teoría también hace intuitiva la transferencia de calor entre cuerpos, resultando que si una partícula colisiona con otra, la partícula lenta recibe un empujón de la rápida; el cuerpo frío recibe un aumento de velocidad de sus partículas al entrar en contacto con un cuerpo cuyas partículas se agitan con más energía.

La fuerza de las atracciones entre moléculas y átomos determina qué cantidad de calor/velocidad es necesaria para poder pasar de un estado a otro. Cuanto más fuertemente se atraigan entre sí, mayor será la velocidad que habrá que darles para que rompan esta fuerza de atracción y pasen a un estado más libre, y más habrá que enfriarlas, es decir frenarlas, para que vuelvan a formar un estado condensado. Como cada sustancia tiene una polaridad determinada y exclusiva de la estructura de sus moléculas, y los átomos de cada elemento forman enlaces con una energía característica cada uno, los puntos de fusión (temperatura necesaria para pasar de sólido a líquido, o viceversa) y ebullición (para pasar de líquido a gaseoso) son una manera efectiva de determinar la naturaleza de una sustancia desconocida a la que los químicos se enfrentan en el laboratorio.

Los cristales que fluyen

En 1888 el químico Reinitzer se encontraba realizando experimentos con cristales de colesterol en la Universidad de Praga. El colesterol, tan temido por sus consecuencias cuando se acumula en las arterias de nuestro cuerpo, es un lípido, una molécula orgánica de forma alargada en la que uno de sus extremos tiene carga negativa, mientras que el resto es apolar, carece de carga eléctrica debido a un reparto equitativo de electrones entre los átomos. Reinitzer estaba determinando los puntos de fusión del cristal con el que trabajaba para determinar su grado de pureza, cuando se percató de que la sustancia que tenía sobre su mesa de laboratorio tenía dos puntos de fusión diferentes: a 145,5ºC, el cristal se fundía en un líquido lechoso y opaco, pero si la temperatura se elevaba a 178,5ºC la opacidad desaparecía y quedaba un líquido cristalino y transparente. Pensando que se trataba de impurezas en su muestra, realizó un análisis exhaustivo solo para descubrir que el cristal era colesterol puro sin aditivos.

Perplejo, le comunicó los resultados al físico Otto Lehmann, un cristalógrafo. Los cristalógrafos son especialistas en el estudio de la estructura de los cristales, como su nombre indica, y observan para ello el comportamiento de la luz y los rayos X al interaccionar con sus partículas. Lehmann aplicó sus conocimientos para investigar el extraño líquido de Reinitzer, y determinó que una vez el líquido era transparente no tenía diferencia alguna con los líquidos corrientes como el agua, y sus moléculas se deslizaban libremente unas sobre otras; pero mientras el líquido era lechoso, a nivel molecular seguía poseyendo las características de un cristal, es decir, sus moléculas estaban agrupadas en formas geométricas fruto de las atracciones eléctricas. Llamó a este nuevo estado de la materia “cristal líquido”, por compartir las características de ambos, y siguió investigándolo hasta que en 1904 públicó su obra “Cristales líquidos”, que dio a conocer el fenómeno en el ámbito de la investigación. Daniel Vorländer, un químico alemán, tras conocer la investigación de Lehmann, comenzó la síntesis y estudio en el laboratorio de todos los tipos de cristal líquido conocidos hasta hoy día, y que veremos a continuación.

Un vistazo a la investigación estructural

El pilar central del cristal líquido es la forma de las moléculas que lo componen: varillas o discos, que dan lugar a cristales líquidos de naturaleza calamítica o discótica, respectivamente. Como muchos de los términos empleados en la investigación tienen un carácter muy técnico, no está de más aclarar las raíces de las que provienen para que no simplemente nos suenen extrañas. Discótico se explica por sí mismo, pero calamítico no tiene nada que ver con calamidad, proviene del italiano antiguo para designar lo que tiene naturaleza magnética, lo cual cobra sentido al considerar que son cristales líquidos formados por moléculas de forma alargada que presentan polaridad, actúan como imanes.

De ambos tipos de moléculas se dice que son anisotrópicas, es decir, sus propiedades dependen de la dirección en la que se observan. No es lo mismo observar las propiedades de una sustancia formada por moléculas con forma de varillas o discos si éstas están orientadas perpendiculares o paralelas entre sí o el observador. Cuando se forma un cristal líquido a partir de un cristal sólido, las moléculas pierden su posicionamiento estático entre ellas, pudiendo moverse unas sobre otras como un líquido, pero mantienen la orientación, que es causa también de sus propiedades. Cuando el cristal líquido pasa definitivamente a estado líquido, entonces es que sus moléculas han perdido la orientación coordinada y cada una se encuentra en un estado de movimiento y rotación libre. En este estado la sustancia es isotrópica, o traducido, sus propiedades dejan de ser dependientes de la dirección, son uniformes.

Para alcanzar este estado anisotrópico a la vez que líquido pueden darse dos casos. Primero, que al aumentar con la temperatura el grado de libertad de movimiento de las moléculas, empiecen a deslizarse entre ellas, pero debido a su forma y las interacciones polares exista aún un rango de temperatura en el que todas guardan una orientación ordenada. Este es el caso de los cristales de colesterol que Reinitzer observó en su laboratorio, y como aquellos, las sustancias que forman cristal líquido por este proceso tienen un segundo punto de fusión, en el que la temperatura desordena del todo las estructura molecular dando un líquido isotrópico. El segundo caso es el de los cristales líquidos que se forman por disolución de una sustancia, y en los que la concentración de moléculas anisotrópicas frente al disolvente juega el papel regulador. Este proceso es vital en la bioquímica, ya que las membranas celulares y otros tipos de estructuras moleculares presentes en los organismos poseen características similares a las de estos cristales líquidos, aunque otros muchos factores entran en juego. A los cristales que se forman por rango de temperatura se les denomina termotrópicos y los que dependen de las propiedades de la disolución reciben el nombre de liotrópicos (de lyo, que en griego significa concentración).

Veremos a continuación cuáles son las principales disposiciones de las moléculas y su orientación en el cristal líquido, profundizando en las propiedades de cada una.

Fase esméctica

Cada una de esas virutas es la idealización de una molécula con estructura de varilla. Como podemos ver, no solo mantienen una orientación ordenada y casi paralela sino que también se encuentran agrupadas en capas de moléculas que son independientes cada una de la otra. Las propiedades fluidas de los cristales líquidos en esta fase provienen de la libertad de movimiento de una capa sobre las adyacentes.

La palabra esméctico proviene del griego smektikos, que significa detergente. ¿La razón? Este es el tipo de estructura que poseen las películas de jabón, las que comúnmente forman pompas, así como los destellos en la superficie de un charco de aceite o gasolina. El aspecto irisado de esas esferas flotantes, y sus torbellinos de colores cambiantes son el producto de la orientación ordenada de sus capas deslizándose unas sobre otras. Los cristales esmécticos también se asemejan a las membranas celulares, formadas por dos capa enfrentadas de lípidos, que como ya mencionamos antes son moléculas varilla; cuando los biólogos observaron el dinamismo ordenado de los lípidos en estas capas, lo denominaron mosaico fluido, pues las moléculas deben de parecer teselas siempre en movimiento.

Fase nemática

En este caso, un probable aumento de temperatura ha desordenado las moléculas en una nueva estructura en la que la orientación se mantiene, pero las capas diferenciadas han desaparecido. Ahora el cristal líquido tiende menos a formar películas y se comporta más como un líquido caótico, y su moléculas se deslizan tanto hacia los lados como hacia arriba y hacia abajo, pero siempre orientadas en la misma dirección.

En este caso la palabra proviene del griego nema, que significa hilo. Esto se debe a que la menor distancia entre los extremos polares de las moléculas tiende a formar estructuras microscópicas de moléculas concatenadas, con aspecto efectivamente hilado. Debido también a que las moléculas se encuentran tan próximas y que su movimiento es más libre, cualquier fuerza que se aplique sobre el cristal lo deformará en mayor medida que a un cristal líquido esméctico, dando lugar a la siguiente estructura.

Fase colestérica

El origen de la denominación es muy sencillo en este caso, proviene del colesterol, la sustancia que Reinitzer estaba estudiando cuando realizó su hallazgo, y que tras ser analizada mostró esta estructura. Las moléculas se comportan como en la fase nemática, pero en lugar de orientarse uniformemente, cada región del cristal líquido posee una orientación que gira ligeramente de la anterior.

Las causas de esta variación siguen siendo investigadas, pero se sabe que las moléculas quirales, aquellas que como nuestras manos es imposible que coincidan en forma cuando tienen la misma orientación, tienden a formar la forma colestérica, aunque la explicación requiere unos conocimientos geométricos avanzados. El otro motivo estudiado, ya mentado y más sencillo, es la aplicación de una fuerza mecánica al cristal líquido nemático, por ejemplo la rotación del recipiente que lo contiene, lo que provoca que las moléculas que están interaccionando con el material contenedor sufran cambios de orientación que se propagan de esta forma uniforme a lo largo del cristal líquido.

Fase columnar

Esta es la fase típica de los cristales líquidos formados por moléculas discóticas, pero no la única. Pueden darse formaciones discóticas en fase nemática caótica, que se parecería mucho a una caja de fichas de parchís sin ordenar. Las principales características que se estudian de estos cristales líquidos es su capacidad para conducir la electricidad a lo largo de las columnas, pudiéndose sintetizar cables de tamaño molecular.

Algunas aplicaciones

Un efecto importante es que la rotación de la fase colestérica puede eliminarse con la aplicación de una corriente eléctrica, pasando a la fase nemática. Las moléculas varilla, al presentar polaridad, son sensibles a los campos eléctricos y se orientan paralelas a ellos. Este fenómeno es la base de las conocidas pantallas de cristal líquido, que consisten en dos placas de vidrio con una fina capa de cristal líquido, formado por moléculas quirales en fase colestérica, entre medias. La fase colestérica tiene la propiedad de hacer girar la luz polarizada (rayos de luz que han sido obligados a viajar en un único plano, luz 2D en vez de 3D) que la atraviesa en el sentido de giro de sus moléculas. Simplificando, a ambos lados de los vidrios se introducen unas rejillas que permiten el paso de la luz solo cuando tiene una orientación determinada, que coincide con la de giro de la fase colestérica; aplicando corriente eléctrica a regiones del cristal líquido mediante electrodos, la fase pasa a ser nemática y entonces la luz ya no vira, por lo que no puede pasar a través de las rejillas y no cruza el vidrio y la región aparece oscura.

La fase colestérica ofrece aún una útil propiedad más. El nivel de rotación de la hélice que forman se altera con el calor, y además esto vuelve a tener propiedades ópticas: no solo hace girar la luz polarizada, sino que si la longitud del giro coincide con una determinada longitud de onda, que determina el color de la luz, entonces el rayo lumínico adoptará esa longitud de onda y por consiguiente el tono. Gracias a esto se han desarrollado termómetros de cristal líquido, que miden la temperatura en función del giro de la fase colestérica, según el color de la luz que la atraviesa.

Para finalizar, se investiga hoy en día las aplicaciones de los cristales liotrópicos, aquellos que dependen de la concentración de una disolución, en el campo de la bioquímica. Los cristales liotrópicos forman con facilidad estructuras esmécticas, que como ya se ha visto se asemejan mucho a estructuras vitales para las células, y por tanto para toda forma de vida. El hecho de poder sintetizar tejidos y membranas que imitan muy satisfactoriamente a los naturales a partir de materiales inorgánicos puede tener consecuencias beneficiosas y de amplio alcance en campos tan necesarios como la medicina. Que su estructura dependa de la concentración de una disolución los hace especialmente útiles en la aplicación de nuevas e ingeniosas tecnologías en el interior de los organismos, que químicamente hablando son un cóctel asombroso de diversas sustancias disueltas. Ajustando las propiedades del cristal líquido a las concentraciones del interior de nuestro cuerpo, desarrollaremos células artificiales que se enfrenten con cargamentos de medicinas en su interior a los invasores más letales de nuestro organismo, o seremos capaces de cubrir nuestros órganos con barreras moleculares especialmente diseñadas para soportar el ataque.

Parece curioso que al final de la primera mitad del siglo XX, cuando ya se habían recogido casi todos los datos experimentales posibles sobre la estructura de este nuevo estado de la materia, se decidiera que aparte de ser curiosa poco más se podía hacer con ella, y que no fuera de nuevo hasta los años 80 cuando los ingenieros decidieran poner a prueba sus características para el beneficio humano, con estos resultados.

¿Qué curiosidades de hoy en día se convertirán en parte casi imprescindible de las nuevas tecnologías del futuro, y qué más aplicaciones se esconden en esta estructura singular? Este es sólo uno de los varios nuevos estados que científicos de todo el mundo han estado investigando en el último siglo: plasma, superfluidos y supersólidos, el famoso condensado de Bose-Einstein en el que la materia se enfría tanto que los átomos casi se detienen por completo… Cada uno de ellos podría ser el tema de un nuevo artículo, así que no entraré en detalles, pero parece claro que el estudio de la estructura de la materia tiene mucho que ofrecernos. El tiempo lo dirá, y lo que hoy queda patente es que nunca dejaremos de utilizar nuestro ingenio para entender mejor el mundo que nos rodea, y poner a las fuerzas de la Naturaleza de nuestro lado.

Bibliografía

• D. Demus et al.: Handbook Of Liquid Crystals, “Vol. I: Fundamentals”, Weinheim, Wiley-VCH, 2008
• Timothy J. Sluckin, David A. Dunmur  y Horst Stegemeyer: Crystals That Flow, “Parte 1: The Early Period”, Londres, Taylor & Francis, 2004
• Personal.kent.edu,. 2016. “Liquid Crystals: A Simple View On A Complex Matter” (Acceso: 6/01/2016)