El cristal líquido es un tipo especial de estado de agregación de la materia que tiene propiedades de las fases líquida y sólida. Dependiendo del tipo de cristal líquido, es posible, por ejemplo, que las moléculas tengan libertad de movimiento en un plano, pero no entre planos, o que tengan libertad de rotación, pero no de traslación.
Historia
Se suele atribuir el descubrimiento de los cristales líquidos al botánico Friedrich Reinitzer que en 1888 encontró una sustancia que parecía tener dos puntos de fusión. Un año más tarde Otto Lehmann solventó el problema con la descripción de un nuevo estado de la materia medio entre un líquido y un cristal. Finalmente, Friedel, en 1922, fue quien habló por primera vez de "mesofase".
En 1888, cuando Friedrich Reinitzer estudiaba derivados del colesterol encontró un compuesto que parecía tener dos puntos de fusión; en principio, los cristales se fundían generando un fluido denso y opaco. Luego, a una temperatura superior, éste se convertía en un líquido transparente parecido al agua. Para caracterizar un compuesto sólido se obtiene un cristal y se mide su punto de fusión. Si la sustancia es pura, su temperatura de fusión es constante; de otro modo, se trata de una mezcla. Hasta entonces (1888), solo se conocían tres fases de la materia: sólido, líquido y gas; pero al observar, con un microscopio de polarización, este fluido denso mostraba una estructura interna característica de los cristales sólidos. Esto parecía ser el descubrimiento de una nueva fase de la materia. Estimulados por esto, los científicos comenzaron la búsqueda de otras sustancias que también mostraran la llamada mesofase, es decir, sustancias líquidas con una estructura interna en un rango constante de temperatura.
Se buscaron varios derivados del colesterol que se comportaban así. Se llevaron a cabo diferentes medidas y se propusieron teorías para predecir la existencia de la mesofase (fase entre el estado sólido y líquido ). Estas teorías en un principio solo consideraban moléculas tipo bastón pero actualmente abarcan también otras moléculas no esféricas (anisótropas).
Las moléculas de un cristal líquido pueden desplazarse unas respecto a otras con bastante facilidad, de forma semejante a las de un líquido. Sin embargo, todas las moléculas de un cristal líquido tienden a estar orientadas del mismo modo, algo similar a la estructura molecular de un cristal sólido. Los cristales líquidos solo mantienen su doble naturaleza sólida y líquida en un determinado rango de temperaturas y presiones. A temperaturas altas o presiones bajas, el orden de la orientación da paso a las rotaciones moleculares aleatorias, con lo que el cristal líquido se convierte en un líquido normal. Cuando la temperatura es lo bastante baja o la presión es lo bastante alta, las moléculas de un cristal líquido ya no pueden desplazarse entre sí con facilidad, y el cristal líquido pasa a ser un sólido normal.
En 1970 se demostró que la corriente eléctrica de baja intensidad cambia la estructura interna de la mesofase, también llamada "estado mesomórfico", lo que provoca variaciones en las propiedades ópticas de los líquidos. También es posible manipular las propiedades ópticas de un cristal líquido sometiéndolo a un campo magnético que, como un campo eléctrico, cambia la orientación de sus moléculas.
El descubrimiento de 1970 abrió la puerta a los primeros aparatos de cristal líquido los cuales requieren menos energía para su funcionamiento. Gracias a esto, los aparatos eléctricos empezaron a ser portátiles. Los primeros cristales líquidos fueron utilizados en calculadoras. Debido al desarrollo de nuevas sustancias mesomórficas (más flexibles y menos sensibles a las condiciones externas) y a mejoras tecnológicas, la actual pantalla de cristal líquido, llamada LCD, es más nítida, está llena de colorido y proporciona prestaciones similares a las de los aparatos de tubos de rayos catódicos, que consumen grandes cantidades de energía.
Características y tipos
thumb|250px|Textura de un cristal líquido en fase nemática. La principal característica de estos compuestos es que sus moléculas son altamente anisótropas en su forma, pueden ser alargadas, en forma de disco u otras más complejas como forma de piña. A diferencia de los cristales (orientación a largo alcance y posiciones ordenadas a largo alcance), los CL tienen una orientación a largo alcance, pero posiciones ordenadas a corto alcance. Además, contienen intrínsecas propiedades físicas anisótropas. En función de esta forma el sistema puede pasar por una o más fases intermedias (mesofases) desde el estado cristalino hasta el líquido. En estas mesofases el sistema presenta propiedades intermedias entre un cristal y un líquido.
Cristales líquidos termotrópicos thumb|left|80px|Alineamiento de las moléculas en la fase nemática thumb|right|250px|Esquema que clasifica las diferentes fases que se presentan, por orden de temperatura. Las fases termotrópicas son aquellas que ocurren en rangos determinados de temperatura; si la temperatura es muy alta, la energía cinética rompe el orden de las moléculas del cristal líquido, provocando una transición a una fase líquida isotrópica como la de cualquier otra sustancia; si la temperatura es muy baja, la mayoría de los cristales líquidos se solidifican formando cristales convencionales.
Varios cristales líquidos sufren transiciones a través de una variedad de fases diferentes cuando la temperatura varía.
Fase nemática thumb|left|250px|Ordenamiento de las moléculas en la fase esméctica A (Izquierda), las cuales están organizadas en capas; en la fase esméctica C (derecha), las moléculas están inclinadas dentro de cada capa. Una de las fases de cristales líquidos más comunes es la nemática. La palabra nemática viene del griego νήμα (nema), que significa “hilo”. Este término se origina de los defectos topológicos que se observan en los cristales líquidos nemáticos, los cuales se denominan formalmente como “disclinaciones”. Los Nemáticos también exhiben defectos topológicos llamados “erizos”. En una fase nemática, las moléculas orgánicas calamíticas o con forma de vara no tienen un orden posicional, pero se alinean automáticamente para tener un orden direccional de largo alcance con sus ejes longitudinales más o menos paralelos; por lo tanto, las moléculas son libres de fluir y el centro de las posiciones de sus masas se distribuye al azar como en un líquido, pero mantienen su origen direccional de largo alcance. La mayoría son cristales líquidos nemáticos monoaxiales: tienen un eje que es más largo y preferido, con los otros dos siendo equivalentes (pueden aproximarse como cilindros o varillas). Sin embargo, algunos cristales líquidos son nemáticos biaxiales, lo que significa que, además de la orientación de su eje largo, también se orientan a lo largo de un eje secundario. Los nemáticos tienen una fluidez similar a la de los líquidos comunes (isotrópicos) pero pueden ser fácilmente alineados por un campo eléctrico o magnético externo. Los cristales líquidos nemáticos alineados tienen las propiedades ópticas de los cristales monoaxiales y esto los hace muy útiles en pantallas de cristal líquido (LCD).
Fase esméctica Las fases esmécticas, las cuales se presentan a temperaturas más bajas que la nemática, forman capas bien definidas que se pueden deslizar una sobre otra de una forma similar al jabón. La palabra “esméctica” se origina de la palabra latina “smecticus”, que significa limpieza o tener propiedades similares al jabón. Las esmécticas son, entonces, posicionalmente ordenadas a lo largo de una dirección. En la fase esméctica A, las moléculas se orientan a lo largo de una capa normal, mientras que en la fase esméctica C éstas se inclinan lejos de la capa normal. Estas fases son de tipo líquido dentro de las capas. Hay varias formas diferentes de fases esmécticas, todas caracterizadas por tipos diferentes y grados de orden direccional y posicional.
Fase quiral thumb|250px|Esquema del ordenamiento en fases de cristales líquidos quirales. La fase quiral nemática (izquierda), también llamada fase colestérica, y la fase esméctica C* (derecha). thumb|right|250px|Fase nemática quiral; "p" se refiere al tono quiral. La fase quiral nemática presenta quiralidad (lateralidad). Esta fase suele llamarse “fase colestérica” porque fue observado por primera vez para los derivados del colesterol. Solo las moléculas quirales (es decir, aquellas que no tienen planos internos de simetría) pueden dar lugar a esta clase de fases. Esta fase exhibe una torsión de las moléculas perpendicular al eje director, con el eje molecular paralelo al director. El ángulo de torsión finito entre moléculas adyacentes se debe a su empaquetamiento asimétrico lo que, en consecuencia, resulta en un orden quiral de mayor alcance. En la fase esméctica C* (el asterisco indica una fase quiral), las moléculas tienen un ordenamiento posicional en una estructura de capas (como en las otras fases esmécticas), con las moléculas siendo inclinadas en un ángulo finito con respecto a la capa normal. La quiralidad induce un giro azimutal finito de una capa a la siguiente, produciendo una torsión en espiral del eje molecular a lo largo de la capa normal.
El tono quiral (denominado como p por su palabra en inglés “pitch”), se refiere a la distancia a la que las moléculas de cristal líquido pasan por una rotación total de 360° (pero nótese que la estructura de la fase quiral nemática se repite cada medio tono ya que, en esta fase, los directores a 0° y 180° son equivalentes). El tono quiral, p, generalmente cambia cuando es alterada la temperatura o cuando otras moléculas son añadidas al material de cristal líquido base (un material de base aquiral formará una fase quiral si se dopa con un material quiral), permitiendo que el tono de un material determinado pueda ser ajustado. En algunos sistemas de cristales líquidos, el tono tiene el mismo orden de magnitud que las longitudes de onda de la luz visible. Esto provoca que estos sisteman presenten propiedades ópticas únicas, como la reflexión de Bragg y una emisión láser de umbral bajo, las cuales se aprovechan en un amplio número de aplicaciones ópticas. Para el caso de la Reflexión de Bragg, solo la reflexión de menor orden se permite si la luz se incide a lo largo del eje de hélice, mientras que para la incidencia oblicua se permiten las reflexiones de mayor orden. Los cristales líquidos colestéricos también exhiben la propiedad única de que reflejan la luz polarizada de forma circular cuando ésta se incide en el eje de hélice y reflejan la que está elípticamente polarizada si se incide en forma oblicua.
Fase azul Las fases azules aparecen en un intervalo de temperatura entre una nemática quiral y una líquida isotrópica. Las fases azules tienen una estructura cúbica tridimensional regular de defectos con períodos de red de varios cientos de nanómetros y, por lo tanto, exhiben reflexiones de Bragg selectivas en el rango de longitudes de onda de la luz visible correspondientes a la red cúbica. Se predijo teóricamente en el año 1981 que estas fases pueden poseer simetría icosaédrica similar a los cuasicristales.
A pesar de que las fases azules son de interés para los modeladores rápidos de luz o los cristales fotónicos sintonizables, existen en un rango de temperatura muy limitado, con valores que varían en unos pocos Kelvin; recientemente, la estabilización de fases azules sobre un rango de temperatura de más de 60 K, incluyendo temperatura ambiente (260-326K), se ha demostrado. Las fases azules estabilizadas a temperatura ambiente permiten una conmutación electro-óptica con tiempos de respuesta en el orden de 10−4 s.
En mayo del 2008 se desarrolló el primer panel de LCD en modo de Fase Azul.
Fase columnar thumb|90px|Fase columnar hexagonal.