Un equipo de investigación internacional de Rusia, Francia y Alemania han propuesto un nuevo método para orientar cristales líquidos. Podría usarse para aumentar el ángulo de visión de las pantallas de cristal líquido. El artículo fue publicado en la revista Cartas macro ACS .

"Este es, ante todo, un estudio fundamental que explora los mecanismos de orientación de los cristales líquidos, "dice Dimitri Ivanov, el jefe del Laboratorio de Materiales Híbridos y Orgánicos Funcionales del MIPT. "Dicho eso, esperamos que estos mecanismos tengan aplicaciones en la nueva tecnología LCD ".

La mayoría de los sólidos son cristales. En un cristal Las moléculas o átomos forman una estructura tridimensional ordenada. A diferencia de los sólidos, los líquidos carecen de este orden interno de largo alcance, pero pueden fluir. La materia en estado de cristal líquido tiene propiedades intermedias entre las de los líquidos y los cristales:posee tanto el orden molecular como la capacidad de fluir. Por tanto, un cristal líquido puede verse como un líquido "ordenado".

No todos los materiales pueden exhibir un estado cristalino líquido, y los mecanismos de transición de fase pueden variar. Entre otras cosas, las moléculas de un material LC tienen que ser anisométricas, es decir, en forma de varilla o disco. Algunos compuestos se convierten en LC en un cierto rango de temperatura. Estos se llaman termotrópicos. Por el contrario, Los LC liotrópicos adoptan el estado cristalino líquido cuando se agrega un solvente.

Las propiedades de un material LC varían según la dirección. Por ejemplo, la luz polarizada se propaga en un cristal líquido a diferentes velocidades en diferentes direcciones. También, en un campo eléctrico o magnético, la orientación de las LC puede cambiar rápidamente. Este fenómeno se conoce como transición de Fréedericksz. Gracias a las propiedades ópticas de los LC y su capacidad para realinearse fácilmente, son ampliamente utilizados en las pantallas electrónicas de televisores, ordenadores, Los telefonos, y otros dispositivos.

En una pantalla LCD, la imagen se genera cambiando la intensidad de la luz en cada píxel a través de un campo eléctrico, que realinea los cristales líquidos. Hay varias configuraciones de LCD, pero el más utilizado se basa en LC nemáticos retorcidos. Estos son cristales líquidos termotrópicos en forma de varilla que pueden adoptar una configuración retorcida mediante el uso de sustratos de alineación especiales. La aplicación de un campo eléctrico a estos LC puede desenroscarlos. Esta respuesta reproducible y predecible se puede utilizar para controlar la intensidad de la luz.

Cada píxel de una pantalla LCD en color consta de tres subpíxeles:rojo, verde, y azul. Variando sus intensidades, se puede mostrar cualquier color. Un subpíxel en una pantalla LCD retorcida basada en nemática (figura 1) consta de una fuente de luz, un filtro de color, dos polarizadores, y una celda LC entre dos placas de vidrio con electrodos. Si los cristales líquidos no estuvieran allí, ninguna luz pasaría a través de la celda, porque cualquier luz que deje pasar el polarizador vertical sería bloqueada por el polarizador horizontal antes de llegar al filtro de color. Sin embargo, Se pueden utilizar sustratos especiales con superficies onduladas para torcer los LC en una espiral entre dos polarizadores a fin de girar la luz con precisión en la cantidad necesaria para pasar a través del segundo polarizador. El estado completamente iluminado del subpíxel es en realidad su estado "apagado". Cuando se aplica voltaje, los cristales líquidos se desenroscan, cambiando la polarización de la luz en menor grado. Como resultado, parte de la luz está bloqueada. Finalmente, como algo de voltaje, ninguna luz puede alcanzar el filtro de color, y el subpíxel se oscurece.

Una de las limitaciones de esta tecnología es el ángulo de visión de una pantalla:desde una perspectiva lateral, la pantalla LCD no reproducirá los colores con precisión. Esto se debe a la alineación conjunta de los cristales líquidos. El problema se puede resolver utilizando pantallas multidominio, en los que los píxeles pertenecen a varios dominios, cuyas orientaciones LC son diferentes. Esto significa que al menos algunos de los dominios siempre están orientados de la manera correcta. El equipo internacional de investigadores dirigido por el profesor Dimitri Ivanov, quien dirige el Laboratorio de Materiales Híbridos y Orgánicos Funcionales del MIPT, ha propuesto una nueva solución para el diseño de pantallas multidominio.

Los autores del artículo trabajaron con polímeros de cristal líquido. Estas son sustancias compuestas por moléculas largas con una forma de cadena, estructura repetitiva. Una ligera variación en la estructura de los polímeros puede alterar drásticamente su orientación sobre el sustrato. Los polímeros utilizados en el estudio son poli (di-n-alquilsiloxanos), o PDAS. Cada molécula es una cadena que contiene átomos alternos de silicio y oxígeno. Los átomos de silicio en PDAS tienen dos cadenas laterales de hidrocarburos simétricas (figura 2). La n en el nombre del compuesto representa la longitud de las cadenas laterales, que varió entre 2 y 6.

En el experimento, Los polímeros de la familia PDAS se depositaron sobre una superficie de alineación frotada con teflón con un patrón regular de ranuras. Generalmente, Se sabe que los polímeros cristalinos se alinean en dichos sustratos, pero solo cuando los parámetros de la red del sustrato coinciden con los del polímero depositado. Los investigadores examinaron la orientación de las cadenas de polímero de cristal líquido en relación con la dirección de las ranuras en la superficie de alineación. La longitud de la cadena lateral n se incrementó en pasos de un solo grupo metileno (CH $ $) a la vez.

Los investigadores encontraron que, Contrario a las expectativas, la orientación del cristal líquido variaba dependiendo de la longitud de la cadena lateral. En n igual a 2, las superestructuras poliméricas en forma de aguja conocidas como laminillas co-alineadas con las ranuras de teflón. Debido a que se sabe que las laminillas son perpendiculares a las cadenas de polímero, Los investigadores concluyeron que las cadenas de polímero son perpendiculares a las ranuras del sustrato (figura 3, izquierda). Cuando n se incrementó a tres, la orientación de las laminillas cambió en 90 grados, haciéndolos perpendiculares a las ranuras. Como resultado, las cadenas de polímero LC ahora estaban orientadas paralelas a las ranuras (figura 3, Derecha). En n igual a cuatro, no se observó ningún cambio adicional en la orientación. Sin embargo, cuando la longitud de la cadena lateral se incrementó aún más a cinco y seis, las laminillas de nuevo co-alineadas con las ranuras de teflón.

Por tanto, los investigadores han descubierto que simplemente añadiendo un grupo metileno a la cadena lateral del polímero, podrían cambiar la orientación LC, que es crucial para la mayoría de las aplicaciones de cristales líquidos, incluyendo pantallas LCD. Según los autores, el efecto que descubrieron podría usarse para diseñar LCD con ángulos de visión mejorados. Esto podría lograrse utilizando una tecnología multidominio que funciona orientando subpíxeles de un color en diferentes direcciones. Como resultado, los píxeles se compensan entre sí cuando la pantalla se ve en ángulo, mejorando la reproducción del color. Los investigadores esperan que esta tecnología sea considerablemente más simple y más barata que otros enfoques multidominio que se utilizan actualmente.