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Los cristales líquidos son un estado de la materia intermedio entre un sólido (de estructura interna ordenada) y un líquido (de estructura interna desordenada). En consecuencia, los cristales líquidos combinan algunas propiedades del estado sólido, como por ejemplo el orden molecular, y otras de los líquidos, como la fluidez. En este estado de la materia, denominado mesofase, las moléculas pueden estar ordenadas en capas o apiladas en columnas, dando lugar a diferentes tipos de mesofases.
 
Podemos distinguir entre dos maneras de generar una mesofase (o cristales líquidos): sólo por acción de la temperatura, obteniéndose cristales líquidos denominados termotrópicos, o por la acción de la temperatura y en presencia de un disolvente, generándose los cristales líquidos liotrópicos. Los cristales líquidos termotrópicos son los más utilizados industrialmente debido a sus propiedades, y por lo tanto los estudiados en nuestro grupo de investigación.

Figura 1. Precursores abiertos 1 y macrociclos 2.

Hemos estudiado la preparación y caracterización de cristales líquidos cuyas estructuras quedan recogidas en la figura 1. Cuatro de ellos presentan estructuras abiertas, 1, y otros cuatro cerradas, los ciclos 2. Todas estas estructuras tienen una parte común; dos de los anillos de seis miembros hexagonales (anillos aromáticos) contienen dos cadenas de 12 átomos de carbono. El otro anillo aromático contiene grupos polares (-F, -CN, -NH2) que se introdujeron con el fin de promover las interacciones entre moléculas (interacciones intermoleculares). También se prepararon las mismas moléculas con un átomo de hidrógeno a modo de modelo para comparar las propiedades.
 
Todas las moléculas preparadas han resultado presentar comportamiento de cristal líquido termótropo; es decir, las moléculas se organizan entre ellas al calentarlas. Estos materiales se estudiaronutilizando las técnicas de laboratorio de microscopía óptica polarizada (POM, Figura 2), calorimetría diferencial de barrido (DSC), y difracción de rayos X (DRX).

Figura 2. Micrografía óptica del compuesto 1d que muestra una mesofase columnar hexagonal, a 38 ° C, en el ciclo de enfriamiento.

A partir de nuestros resultados podemos extraer las siguientes conclusiones:
 
a) Los grupos polares juegan un papel importante en la organización de las moléculas cuando éstas se calientan. Estas moléculas se organizan entre ellas formando una especie de discos, que se apilan entre ellos formando columnas. A su vez, estas columnas se ordenan entre ellas formando hexágonos (Figura 3). Este tipo de organización es lo que se conoce como mesofase columnar hexagonal.

b) Cada disco que forma las columnas está compuesto por tres moléculas iguales que interaccionan entre ellas a través de los grupos polares introducidos en dichas moléculas, orientándolos hacia el centro del disco. Las cadenas largas quedan orientadas hacia el exterior del disco, pudiendo interaccionar con otras cadenas de los discos superiores e inferiores.

   

Figura 3. Tres ejemplos de los modelos propuestos para las mesofases columnares hexagonales donde la diferencia radica en las interacciones moleculares; a) π-π stacking; b) dipolo-dipolo; y c) enlaces de hidrógeno.

c) La estabilidad de estas mesofases columnares fue mucho mayor que la observada para los correspondientes compuestos que carecen de grupos polares.
 
d) La presencia de cadenas de 12 átomos de carbono que recubren la parte exterior de las columnas es un parámetro importante, no sólo por la presencia de un alto número de interacciones intermoleculares, sino también porque son fluidas y están desordenadas en el estado de cristal líquido, permitiendo una alta naturaleza dinámica de las fases columnares. La variación de la arquitectura molecular permitió el control de las propiedades termotrópicas y el diseño de mesofases discóticas (un tipo de mesofase en la cual las moléculas están dispuestas en forma de disco), apareciendo en diferentes rangos de temperaturas. Hasta un límite, un mayor número de interacciones intermoleculares producen un claro incremento del rango de temperaturas en el que las moléculas presentan comportamiento de cristal líquido.