UABDivulga - Barcelona recerca i innovació

Els cristalls líquids són un estat de la matèria intermedi entre un sòlid (d’estructura interna ordenada) i un líquid (d’estructura interna desordenada). En conseqüència, els cristalls líquids combinen algunes propietats de l’estat sòlid, com ara l’ordre molecular, i altres dels líquids, com la fluïdesa. En aquest estat de la matèria, anomenat mesofase, les molècules poden estar ordenades en capes o apilades en columnes, donant lloc a diferents tipus de mesofases.

Podem distingir entre dues maneres de generar una mesofase (o cristalls líquids): només per acció de la temperatura, amb la qual cosa s’obtenen cristalls líquids denominats termotròpics, o per l’acció de la temperatura i en presència d’un dissolvent, de manera que es generen els cristalls líquids liotròpics. Els cristalls líquids termotròpics són els més utilitzats industrialment causa de les seves propietats, i per tant els estudiats en el nostre grup de recerca.

Figura 1. Precursors oberts 1 i macrocicles 2.

Hem estudiat la preparació i caracterització de cristalls líquids les estructures de les quals queden recollides a la figura 1. Quatre d’aquests presenten estructures obertes, 1, i uns altres quatre tancades, els cicles 2. Totes aquestes estructures tenen una part comuna; dos dels anells de sis membres hexagonals (anells aromàtics) contenen dues cadenes de 12 àtoms de carboni. L’altre anell aromàtic conté grups polars (-F, -CN, -NH2) que es van introduir per tal de promoure les interaccions entre molècules (interaccions intermoleculars). També es van preparar les mateixes molècules amb un àtom d’hidrogen com a model per comparar les propietats.

Totes les molècules preparades han presentat comportament de cristall líquid termotròpic; és a dir, les molècules s’organitzen entre elles en ser escalfades.Aquests materials es van estudiar utilitzant les tècniques de laboratori de microscòpia òptica polaritzada (POM, Figura 2), calorimetria diferencial d’escombrat (DSC), i difracció de raigs X (DRX).

Figura 2. Micrografia òptica del compost 1d que mostra una mesofase columnar hexagonal, a 38 ° C, en el cicle de refredament.

A partir dels nostres resultats podem extreure les següents conclusions:
 
a) Els grups polars juguen un paper important en l’organització de les molècules quan s’escalfen. Aquestes molècules s’organitzen entre elles formant una espècie de discos, que s’apilen entre ells formant columnes. Al seu torn, aquestes columnes s’ordenen entre elles formant hexàgons (Figura 3). Aquest tipus d’organització és el que es coneix com a mesofase columnar hexagonal.
 
b) Cada disc que forma les columnes està compost per tres molècules iguals que interacciones entre elles a través dels grups polars introduïts en aquestes molècules, orientant-los cap al centre del disc. Les cadenes llargues queden orientades cap a l’exterior del disc, de manera que poden interaccionar amb altres cadenes dels discos superiors i inferiors.

   

Figura 3. Tres exemples dels models proposats per a les mesofases columnars hexagonals on la diferència radica en les interaccions moleculars; a) π-π stacking; b) dipol-dipol; i c) enllaços d’hidrogen.

c) L’estabilitat d’aquestes mesofases columnars va ser molt més gran que l’observada per als corresponents compostos que no tenen grups polars.

d) La presència de cadenes de 12 àtoms de carboni que recobreixen la part exterior de les columnes és un paràmetre important, no només per la presència d’un alt nombre d’interaccions intermoleculars, sinó també perquè són fluïdes i estan desordenades en l’estat de cristall líquid, permetent una alta naturalesa dinàmica de les fases columnars. La variació de l’arquitectura molecular va permetre el control de les propietats termotròpiques i el disseny de mesofases discòtiques (un tipus de mesofase en la qual les molècules estan disposades en forma de disc), apareixent en diferents rangs de temperatures. Fins a un límit, un major nombre d’interaccions intermoleculars produeixen un clar increment del rang de temperatures en què les molècules presenten comportament de cristall líquid.