Los cristales y la tecnología: Cristales líquidos
Presentes en toda la naturaleza, los cristales han deslumbrado a hombres y a mujeres desde tiempos inmemoriales no sólo por su hipnótica belleza, sino por sus infinitas posibilidades en todas las facetas de la vida cotidiana: para embellecer al ser utilizados en las artes suntuarias, para servir como utensilios en el trabajo o, bien, para salar o endulzar alimentos. Esta fascinación humana por los cristales perdura hasta nuestros días: en pleno siglo veintiuno, los cristales son parte esencial del desarrollo científico y tecnológico de frontera.
En efecto: los cristales están presentes lo mismo en la industria de los alimentos y en la de los cosméticos que en la aeronáutica, la tecnología espacial, el diseño de nuevos fármacos, la tecnología de pantallas de crisital líquido, en las biociencias, en la agricultura, así como en el desarrollo de nuevas energías, nuevos materiales y procesos para mejorar la calidad del agua.
El Dr. Rubén Ramos en su oficina en el INAOE, habla sobre cristales líquidos. Foto: archivo INAOE.
La Unión Internacional de la Cristalografía y la UNESCO decretaron este 2014 como el Año Internacional de la Cristalografía en conmemoración del centenario del descubrimiento de la difracción, desvío, de los rayos X hecho por Max Von Laue, dando origen a la cristalografía de rayos X. También se conmemoran los trabajos de William Henry Bragg y William Lawrence Bragg, quienes en 1915 demostraron que los rayos X se pueden utilizar para determinar la estructura atómica de los cristales. Esta técnica se utiliza actualmente para estudiar la estructura atómica y las propiedades de los materiales.
La cristalografía de rayos X está detrás de algunas de las investigaciones que revolucionaron a la ciencia, como el trabajo de Rosalind Franklin para la definición de la estructura molecular del ADN por James Watson y Francis Crick, que les hizo acreedores del premio Nobel.
Un cristal, de acuerdo con la Unión Internacional de la Cristalografía, es un material sólido cuyos átomos están organizados en arreglos regulares y simétricos en tres dimensiones. "Sin embargo, no todos los cristales son sólidos. En 1888, el biólogo austriaco F. Raintizer descubrió los cristales líquidos", comenta en entrevista el Dr. Rubén Ramos García, investigador del Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE), quien se dedica al estudio de los cristales líquidos, los cuales poseen un enorme potencial para realizar investigación original y para el desarrollo de nuevas tecnologías.
Los cristales líquidos se pueden encontrar en la naturaleza, por ejemplo, en la pared celular y en la telaraña: "Los hermosos colores de algunos escarabajos se deben a que su caparazón está hecho de cristales líquidos colestéricos. También hay productos de uso diario, como los jabones, que también lo son. El kevlar, que es el material usado en los chalecos antibalas, está hecho de cristales líquidos poliméricos. Este material tiene un papel fundamental en la vida cotidiana. ¿Te imaginas un mundo sin displays o sin jabón?".
Los cristales líquidos combinan propiedades de líquidos y sólidos: "En un cristal ordinario como un diamante, los átomos están en posiciones fijas y regulares en cualquier dirección, tienen orden posicional y de orientación. Por el contrario, los cristales líquidos pueden fluir y tomar la forma del recipiente que los contiene. Sabemos que en los líquidos las moléculas no tiene orden ni posicional ni de orientación. Entonces, ¿por qué se llaman así? Los cristales líquidos están formados por moléculas orgánicas cuya forma es alargada, parecida a la de los palillos chinos. Así como en el juego, las moléculas se pueden arreglar en manojos, antes de soltarlos. En este caso decimos que hay orden de orientación pero no de posición y en este caso se obtienen cristales líquidos. Cuando dejamos caer los palillos sobre la mesa, estos se desordenan y ocupan posiciones aleatorias, entonces decimos que tenemos un líquido isotrópico".
El Dr. Rubén Ramos subraya que estos materiales tienen diversas aplicaciones: "Como seguramente saben, están presentes en los televisores y en todo tipo de pantalla. Deben tener propiedades especiales para funcionar adecuadamente. Por tal razón, son sintetizados en varios laboratorios del mundo. Su síntesis no es barata y pocos laboratorios pueden producir las cantidades requeridas por la industria. Merck, el gigante farmacéutico alemán, controla aproximadamente el 70 por ciento del mercado mundial de cristales líquidos. En el mundo y en Mexico hay muchos laboratorios que los pueden sintetizar, pero en pequeñas cantidades y no con fines comerciales".
Algunas ventajas de las pantallas de cristales líquidos sobre las de rayos catódicos y de plasma son su menor peso y volumen, bajo consumo eléctrico, alta resolución de imagen y gran variedad de colores, lo que permite generar imágenes impresionantes e incluso tridimensionales. Sin embargo, su futuro no es muy prometedor debido al surgimiento de nuevas tecnologías como LEDS orgánicos, que han producido nuevos displays con mayor resolución, menor peso y menor consumo de energía. Pero tienen otras aplicaciones: en sensores de temperatura, procesado de imágenes, holografía y controladores de polarización de la luz.
En cuanto al proyecto que lidera en el INAOE, el Dr. Ramos informa que actualmente se está trabajando con las propiedades ópticas no lineales en cristales líquidos: "Esto quiere decir que estamos buscando grabar hologramas con láseres de baja potencia para hacerlos más accesibles".
Finalmente, el Dr. Rubén Ramos añade que, a pesar de que los cristales líquidos son conocidos y han sido estudiados desde hace más de cien años, aún queda mucho camino por recorrer para entender su física y su química. Y han mostrado tener grandes posibilidades en investigación científica: "Recientemente se han utilizado cristales líquidos colestéricos para reducir la velocidad de la luz en ese medio. Esto daría paso a aplicaciones de luz lenta que podrían revolucionar las telecomunicaciones. También se han descubierto nuevas formas de ordenamiento molecular en los cristales líquidos que funcionan como cristales fotónicos cuyas aplicaciones ni siquiera se han analizado. Así que aún tienen un futuro brillante por delante, aunque no en la industria de los displays".
Fuentes de información:
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