El maravilloso mundo de los Cristales Líquidos...Historia 1888. F. Reinitzer (botánico...
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El maravilloso mundo de los Cristales Líquidos
Sergio Diez BerartGrup de Caracterització de Materials
Grup de Caracterització de Materials (GCM)
• Aplicaciones de los CL• Breve historia• Moléculas de CL• Mesofases• Técnicas experimentales• Tipos de CL• Nanoconfinamiento
Contenido
Pantallas CL
Ventana devidrio
Cristal Líquido
Placa posterior
Liquid Crystal Display(LCD)
Pixel,CircuitosPlaca de silicona
Microdispositivos
Óptica
Investigación actual
Electrónica
Armamento
Consumo
Biotecnología
Historia1888. F. Reinitzer (botánico austríaco). 2 puntos de fusión en
derivados del colesterol
1889. O. Lehmann (cristalógrafo alemán). Cristal líquido
1er tercio siglo XX. Olvidados por diversos prejuicios1911. C. Mauguin describe estructura y propiedades
2º tercio siglo XX. Eclipsados por otros avances1936. 1ª aplicación: LC Light Valve
Principio años 60. Dispositivos electrónicos. Se necesita nexo entre lo microscópico y lo macroscópico: CL
Friedrich Reinitzer(1857 – 1927)
Cristales Líquidos
Mesofase: Estado intermedio entre el sólido cristalino y el líquido isótropo
Mesógeno: Material que presenta una o varias mesofases
• Termótropos: Cambios de fase con la temperatura
• Liótropos: Cambios de fase con la concentración
Moléculas termótropasNúcleo rígido (uniaxialidad) y cadenas terminales (fluidez)
• Calamítica
• Discótica
OC
C10H12O
C6H13
O
OCO
O O O
O OO
O
O
O
O
OO
OO
OO
OOOO
OOO
O
OO
O
OO
OO
OO
O M
β µ
lµ
tµ
Mesofases calamíticas
• Dirección preferente: director molecular n
Nemática (N)
Esméctica A (SmA)
Esméctica C (SmC)
Parámetro de orden:
1cos321 2 −= θS
n nn
θ
n
Mesofases quirales
• Moléculas quirales: estructura helicoidal• SmC*: polarización espontánea
Colestérica (N*)
SmC*
p
E
Mesofase SmC*•Polarización espontánea•Ferrolectricidad•Biestabilidad
Técnicas experimentalesMicroscopía óptica de polarización
I-n.aviN-sa.avi
•Microscopio Kyowa Microlux-12•Platina Linkam
T /KC
p [SmA] [N]
Tc
Calorimetría diferencial de barrido modulada (MDSC)
Técnicas experimentales
TA Instruments•TGA Q50•DSC Q100
Espectroscopía dieléctrica
Dipolar
At micaElectrónica
''
'
103 106 109 1012 1015 ν(Hz)Microondas IR V UV
Técnicas experimentales
Analizadores de impedancia:•Alplha (Novocontrol)•HP 4192 A•Agilent 4291 A
E E
E
ω1 ω2
ω3
E
ω4
Modos dieléctricos (ω1)Rotación en torno al eje corto (flip-flop)
E E
E
ω1 ω2
ω3
E
ω4
Modos dieléctricos (ω1)Rotación en torno al eje corto (flip-flop)
E E
E
ω1 ω2
ω3
E
ω4
Modos dieléctricos (ω2)Rotación en torno al eje largo
E E
E
ω1 ω2
ω3
E
ω4
Modos dieléctricos (ω2)Rotación en torno al eje largo
E E
E E
ω1 ω2
ω3 ω4
Modos dieléctricos (ω3)
Precesión en torno al director molecular
E E
E E
ω1 ω2
ω3 ω4
Modos dieléctricos (ω3)
Precesión en torno al director molecular
E E
E E
t
ω1 ω2
ω3 ω4
Modos dieléctricos (ω4)
Rotación en torno al eje largo de las moleculas en precesión
E E
E E
t
ω1 ω2
ω3 ω4
Modos dieléctricos (ω4)
Rotación en torno al eje largo de las moleculas en precesión
-10 -5 0 5 10-1.5
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
Corr
ient
e de
pol
ariz
ació
n / u
. a.
E / Vµm-1
Medida de la polarización espontánea
Técnicas experimentales
•Generador de funciones HP 3325A•Multímetro HP 3458 A•Amplificador Kepco•Osciloscopio HP 54603 B
p
E
-10 -5 0 5 10-1.5
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
Corri
ente
de
pola
rizac
ión
/ u. a
.
E / Vµm-1
Histéresis ferroeléctrica
CL Cianobifeniles
C H2n+1nN C
ON C C H2n+1n
nOCB
nCB
Años 60Moléculas sencillasEstudios fundamentales:
Transiciones de faseDinámica molecularetc…
0.2 0.4 0.6 0.8X
290
300
310
320
330
340
350
360
T /K
7OCB 8OCB
[SmA]
[N]
[ I ]
[NR]
N
SmA
NR
M. B. Sied et al. J. Phys. Chem. B, 107, 7820 (2003)
Nemática Reentrante
Mezclas binarias de Cianobifeniles
Dímeros
O(CH2)nO CNNC
D. A. Dunmur et al. J.Chem.Phys., 115, 8681 (2000)S. Diez, et al. Liq. Cryst., 30, 1021 (2003)
Conformaciones
Dímeros
D. A. Dunmur et al. J.Chem.Phys., 115, 8681 (2000)S. Diez, et al. Liq. Cryst., 30, 1021 (2003)
80 90 100 110 120 130 140
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
∆ε
Temperatura / ºC
•Altas T:conformación más isótropa
•Bajas T:conformación más anisótropa
•Programación cambios conformacionales
•Nuevas técnicas de diseño molecular
Bananas
1 unidad rígida en forma de V + 2 cadenas terminales
O
O O
O
NN
HR
HR
R=(O)CnH2n+1
O
O O
O
NN
HR
HR
R=(O)CnH2n+1
E
p
O
OO
O
H29
C14
OO
C14
H29
O
OO
O
O
OO
O
H29
C14
OO
C14
H29
O
OO
O
ppp
O
OO
O
H29
C14
OO
C14
H29
O
OO
O
O
OO
O
H29
C14
OO
C14
H29
O
OO
O= 0
Bananas: Fase B2
•Fase esméctica helicoidal•Antiferroelectricidad
•Displays electroópticos
•Dinámica más lenta que en CL ferroeléctricos convencionales
E
p
O
OO
O
H29
C14
OO
C14
H29
O
OO
O
O
OO
O
H29
C14
OO
C14
H29
O
OO
O
ppp
O
OO
O
H29
C14
OO
C14
H29
O
OO
O
O
OO
O
H29
C14
OO
C14
H29
O
OO
O
Bananas: Fase B2
•Fase esméctica helicoidal•Antiferroelectricidad
•Displays electroópticos
•Dinámica más lenta que en CL ferroeléctricos convencionales
E
p
O
OO
O
H29
C14
OO
C14
H29
O
OO
O
O
OO
O
H29
C14
OO
C14
H29
O
OO
O
ppp
O
OO
O
H29
C14
OO
C14
H29
O
OO
O
O
OO
O
H29
C14
OO
C14
H29
O
OO
O
Bananas: Fase B2
•Fase esméctica helicoidal•Antiferroelectricidad
•Displays electroópticos
•Dinámica más lenta que en CL ferroeléctricos convencionales
E
p
O
OO
O
H29
C14
OO
C14
H29
O
OO
O
O
OO
O
H29
C14
OO
C14
H29
O
OO
O
ppp
O
OO
O
H29
C14
OO
C14
H29
O
OO
O
O
OO
O
H29
C14
OO
C14
H29
O
OO
O= 0
Bananas: Fase B2
•Fase esméctica helicoidal•Antiferroelectricidad
•Displays electroópticos
•Dinámica más lenta que en CL ferroeléctricos convencionales
Confinamiento de CL
• Antecedentes:– Cristales fotónicos
SiO2 con huecos en FCC
• Aplicaciones:– Láseres, conmutadores electroópticos, memorias ópticas…
• Confinamiento:– Estructura dieléctrica desordenada + CL
• Elección estructura• Tratamiento• Elección CL
Estructuras pseudo-ordenadasAnopore, Nucleopore
60 µm
Ø = 0.2 µm = 200 nm
Estructuras desordenadas
Aerogel, Vycor, CPG Dendrímeros
Ø = 0.01 µm = 10 nm
Membranas Partículas dispersantes
Zeolitas
Ø = 0.001 µm = 1 nm
Estructuras mixtas
Doble confinamiento:•Orden dentro de las membranas•Desorden fuera de las membranas (dispersión)
7OCB: Calor específico
S. Diez, et al. J. Phys. Chem. B, 109, 23209 (2005)
345 346 347 348
4
8
12
16
Cp(
J·g-
1 ·K
-1)
BULKAXIAL RADIAL
Axial
Radial
7OCB: Permitividad estática
S. Diez, et al. J. Phys. Chem. B, 109, 23209 (2005)
E
E
E
E
Capa nemática
T capa
Homeótropo
Planar
Axial
Radial
T(K)
8
12
16
stat
ic p
erm
ittiv
ity(ε
')
328 338 348 358 368
Cp-bulk transition temperatureε'⊥
ε'
ε'iso
NEMATIC
ISOTROPIC
320 340 360 380T(K)
4
5
6
7
8
9
appa
rent
sta
tic p
erm
ittiv
ity(ε
app)
Cp Bulk transition temperatureεaxial
εradial
Nematic
Isotropic
Capa nemática inducida
•Dentro de la capa:Moléculas inmóviles
•Fuera de la capaDinámica idéntica al bulk
¿Guías ópticas?
Gracies per la vostra atenció