En cristales líquidos, las moléculas se organizan automáticamente de forma ordenada. Investigadores de la Universidad de Luxemburgo han descubierto un método que permite que un estado anti-ordenado, que permitirá nuevas propiedades de los materiales y aplicaciones técnicas potencialmente nuevas, como músculos artificiales para robótica blanda. Publicaron sus hallazgos en la revista científica. Avances de la ciencia .

El equipo de investigación del profesor Jan Lagerwall de la Universidad de Luxemburgo estudia las características de los cristales líquidos, que se puede encontrar en muchas áreas que van desde membranas celulares en el cuerpo hasta pantallas en muchos dispositivos electrónicos. El material combina una movilidad y flexibilidad similares a las de un líquido y un orden de largo alcance de sus moléculas; este último es, por lo demás, una característica típica de los cristales sólidos. Esto da lugar a propiedades notables que hacen que los cristales líquidos sean tan versátiles que son elegidos para llevar a cabo funciones vitales por la naturaleza y por empresas de miles de millones de dólares por igual.

Muchas de las propiedades de un material dependen de la forma en que están dispuestas sus moléculas. Desde finales de la década de 1930, Los físicos utilizan un modelo matemático para describir el orden molecular de los cristales líquidos. El llamado parámetro de orden asigna un número que indica qué tan bien ordenadas están las moléculas. Este modelo usa un rango positivo para describir los cristales líquidos a los que estamos acostumbrados. También puede asignar un rango negativo que describa un estado "anti-ordenado", donde las moléculas evitarían una determinada dirección en lugar de alinearse a lo largo de ella.

Hasta aquí, este rango negativo siguió siendo estrictamente hipotético, ya que ningún cristal líquido desarrolló un estado anti-ordenado en la práctica. Las teorías estándar para los cristales líquidos sugieren que tal estado es posible, pero no sería estable. "Puede comparar esto con un tobogán que tiene un bache muy ligero en el medio. Puede reducir la velocidad cuando llegue al bache, en nuestro caso el estado anti-ordenado inestable, pero no lo suficiente para que te detengas y por lo tanto descenderás hasta el estado estable, el mínimo de energía global, donde inevitablemente terminas con un orden positivo. Si pudieras detener el viaje en el bache, sería posible un rango negativo, "explica Jan Lagerwall.

Esto es exactamente lo que V.S.R. Jampani, el autor principal del artículo, y compañeros de trabajo lograron por primera vez en su estudio. "El truco para evitar que el sistema alcance el mínimo de energía global es polimerizarlo suavemente en una red débilmente conectada mientras se disuelve en un solvente líquido normal, ", dice el Dr. Jampani." Esta red se extiende en todas las direcciones dentro de un plano, o comprimido a lo largo de una sola dirección perpendicular al plano, tal que las moléculas que forman la red se alineen en el plano, pero sin ninguna dirección particular en ese plano. "A medida que se evapora el disolvente, se forma la fase de cristal líquido y, debido al peculiar estiramiento en el plano de la red, se ve obligado a adoptar el estado de parámetro de orden negativo donde las moléculas evitan la dirección de la normal al plano. "Este cristal líquido no tiene más remedio que asentarse con el mínimo de energía secundaria, Dado que la red hace inaccesible el mínimo de energía global, "agrega Lagerwall.

Cuando la red se refuerza mediante una segunda ronda de polimerización, se puede estudiar el comportamiento en función de la temperatura. "Las redes de cristal líquido son fascinantes para parámetros de orden tanto positivos como negativos, porque el ordenamiento (o anti-ordenamiento) en combinación con la red de polímero le permite cambiar espontáneamente su forma en respuesta a los cambios de temperatura. La red de cristal líquido es efectivamente una goma que se estira o se relaja por sí sola, sin que nadie aplique fuerza, "dice el profesor Lagerwall.

Resulta que el comportamiento del caucho de cristal líquido con parámetro de orden negativo es exactamente opuesto al de los cauchos de cristal líquido normales. "Ópticamente, cuando una goma de cristal líquido normal muestra un cierto color entre polarizadores cruzados, La versión del parámetro de orden negativa muestra el color complementario. Mecánicamente, cuando una goma de cristal líquido normal se contrae a lo largo de una dirección y se expande en el plano perpendicular a ella, el parámetro de orden negativo caucho se expande a lo largo de la primera dirección y se contrae en el plano perpendicular, "Explica Lagerwall.

Los investigadores crearon sus cauchos de cristal líquido de parámetro de orden negativo en forma de conchas esféricas de tamaño milimétrico, que luego cortan en trozos más pequeños con varias formas. Dependiendo de cómo se hizo el corte, Se podría realizar una variedad de comportamientos de cambio de forma, mostrando que el sistema puede funcionar como un actuador suave, "efectivamente un músculo artificial. Debido a que los cauchos de cristal líquido de orden negativo y positivo actúan de manera opuesta, esto abre formas interesantes de combinar los dos, para hacer un actuador compuesto más eficaz, por ejemplo, para la robótica blanda. Cuando el actuador de orden positivo responde lentamente, el de orden negativo actúa rápidamente, y viceversa. Desde el punto de vista de la física fundamental, la existencia física del estado de cristal líquido anti-ordenado previamente sólo predicho teóricamente abre la puerta a muchos experimentos interesantes, así como al desarrollo teórico del comportamiento de la materia blanda autoorganizada.