Un equipo de la Universidad de Colorado en Boulder ha diseñado nuevos tipos de cristales líquidos que reflejan las complejas estructuras de algunos cristales sólidos, un gran paso adelante en la construcción de materiales fluidos que pueden coincidir con la colorida diversidad de formas que se ven en minerales y gemas. desde lazulita hasta topacio.

Los hallazgos del grupo, publicado hoy en la revista Naturaleza , Puede que algún día conduzca a nuevos tipos de ventanas inteligentes y pantallas de televisión o computadora que puedan doblar y controlar la luz como nunca antes.

Los resultados se reducen a una propiedad de los cristales sólidos que será familiar para muchos químicos y gemólogos:la simetría.

Ivan Smalyukh, profesor del Departamento de Física de CU Boulder, explicó que los científicos clasifican todos los cristales conocidos en siete clases principales, además de muchas más subclases, en parte basadas en las "operaciones de simetría" de sus átomos internos. En otras palabras, ¿De cuántas formas puedes pegar un espejo imaginario dentro de un cristal o rotarlo y seguir viendo la misma estructura? Piense en este sistema de clasificación como los 32 sabores de Baskin-Robbins pero para los minerales.

Hasta la fecha, sin embargo, los científicos no han podido crear cristales líquidos, materiales fluidos que se encuentran en la mayoría de las tecnologías de visualización modernas, que vienen en esos mismos sabores.

"Sabemos todo acerca de todas las posibles simetrías de cristales sólidos que podemos hacer. Hay 230 de ellos, "dijo Smalyukh, autor principal del nuevo estudio que también es miembro del Instituto de Energía Renovable y Sostenible (RASEI) en CU Boulder. "Cuando se trata de cristales líquidos nemáticos, el tipo de la mayoría de las pantallas, sólo tenemos unos pocos que se han demostrado hasta ahora ".

Es decir, hasta ahora.

En sus últimos hallazgos, Smalyukh y sus colegas idearon una forma de diseñar los primeros cristales líquidos que se asemejan a los cristales monoclínicos y ortorrómbicos, dos de esas siete clases principales de cristales sólidos. Los resultados, él dijo, traer un poco más de orden al caótico mundo de los fluidos.

"Hay muchos tipos posibles de cristales líquidos, pero, hasta aquí, se han descubierto muy pocos, ", Dijo Smalyukh." Es una gran noticia para los estudiantes porque hay mucho más por encontrar ".

Simetría en acción

Para comprender la simetría en los cristales, primero imagina tu cuerpo. Si coloca un espejo gigante en medio de su cara, verá un reflejo que se parece (más o menos) a la misma persona.

Los cristales sólidos tienen propiedades similares. Cristales cúbicos, que incluyen diamantes y pirita, por ejemplo, están formados por átomos dispuestos en forma de cubo perfecto. Tienen muchas operaciones de simetría.

"Si gira esos cristales 90 o 180 grados alrededor de muchos ejes especiales, por ejemplo, todos los átomos permanecen en los lugares correctos, "Dijo Smalyukh.

Pero hay otros tipos de cristales, también. Los átomos dentro de cristales monoclínicos, que incluyen yeso o lazulita, están dispuestos en una forma que parece una columna inclinada. Da la vuelta o gira estos cristales todo lo que quieras, y todavía tienen solo dos simetrías distintas:un plano de espejo y un eje de rotación de 180 grados, o la simetría que puedes ver al girar un cristal alrededor de un eje y notar que se ve igual cada 180 grados. Los científicos llaman a eso un estado de "baja simetría".

Cristales líquidos tradicionales, sin embargo, no muestre ese tipo de estructuras complejas. Los cristales líquidos más comunes, por ejemplo, están formados por pequeñas moléculas en forma de varilla. Bajo el microscopio tienden a alinearse como fideos de pasta seca arrojados en una olla, Dijo Smalyukh.

"Cuando las cosas pueden fluir, no suelen presentar simetrías tan bajas, "Dijo Smalyukh.

Orden en líquidos

Él y sus colegas querían ver si podían cambiar eso. Empezar, el equipo mezcló dos tipos diferentes de cristales líquidos. La primera fue la clase común formada por moléculas en forma de varilla. El segundo estaba formado por partículas con forma de discos ultrafinos.

Cuando los investigadores los juntaron, notaron algo extraño:en las condiciones adecuadas en el laboratorio, esos dos tipos de cristales se empujaban y apretaban entre sí, cambiando su orientación y disposición. El resultado final fue un fluido de cristal líquido nemático con simetría que se parece mucho a la de un cristal monoclínico sólido. Las moléculas en el interior mostraron cierta simetría, pero solo un plano de espejo y un eje de rotación de 180 grados.

El grupo había creado en otras palabras, un material con las propiedades matemáticas de una lazulita o cristal de yeso, pero las suyas podrían fluir como un fluido.

"Estamos haciendo una pregunta muy fundamental:¿Cuáles son las formas en que se puede combinar el orden y la fluidez en un solo material?" Dijo Smalyukh.

Y, Las creaciones del equipo son dinámicas:si calientas o enfrías los cristales líquidos, por ejemplo, puedes transformarlos en un arcoíris de diferentes estructuras, cada uno con sus propias propiedades, dijo Haridas Mundoor, autor principal del nuevo artículo. Eso es bastante útil para los ingenieros.

"Esto ofrece diferentes vías que pueden modificar las tecnologías de visualización, que puede mejorar la eficiencia energética en el rendimiento de dispositivos como teléfonos inteligentes, "dijo Mundoor, un asociado de investigación postdoctoral en CU Boulder.

Él y sus colegas todavía no están ni cerca de fabricar cristales líquidos que puedan replicar el espectro completo de cristales sólidos. Pero el nuevo periódico los acerca más que nunca, una buena noticia para los fanáticos de las cosas brillantes en todas partes.