Cristales líquidos y birrefringencia
Suelo utilizar la tableta para leer (este tipo de dispositivos son un gran invento y un alivio para mi vista “hipermétrope”). Ayer, abrí el aparato y el pdf que tenía pendiente cuando vi un pelo sobre el cristal. Un recogido y fino pelo oscuro sobre el fondo blanco del pdf. Mi primer instinto fue ir a quitarlo, pero entonces me di cuenta de que [estoy empezando a ver física en todas partes] el pelo no era solo oscuro, tenía rayas, rayas brillantes. Fui a por el móvil para sacarle una foto y la imagen se volvió mucho más interesante, colorida…
[Esto me trajo a la cabeza los cambios de color de los camaleones. En La Mula Francis, se explica este fenómeno biofísico relacionado con la estructura microscópica y la luz. Estas especies tienen dos capas orgánicas en la piel (c) que contienen cristales de guanina (d, e) (cristales fotónicos) que cambian su disposición en el espacio (d) en función de su «estado de ánimo» (a) dejando pasar una serie de colores u otros visibles para el ojo humano (1).
Empecé a buscar información, pero el tema era mucho más complejo de lo que me parecía; refracción, polarización, cristales líquidos, fotoelasticidad… un totum revolutum.
La pantalla
Así nos explican en la UCC de la Universidad de Zaragoza las capas que componen una pantalla de cristal líquido como la de mi tableta: la luz sale de una fuente de iluminación al fondo de la tableta y atraviesa un sistema de capas estilo sándwich; una placa difusora de luz, dos filtros polarizadores cruzados y dos vidrios con un “cableado” cuadriculado de electrodos y colores que llevan el cristal líquido en su interior).
Lo curioso de estas fotos era que cada vez que volvía a hacer una nueva me encontraba dibujos distintos, un movimiento de la cámara, de la tableta, cambios en el ángulo de visualización o cada zoom, me daba una nueva foto interesante -lo que ahora me ha complicado la elección.
En los ejemplos se muestra una familia de ondas, como en el aire (en las sombras de la persiana) o como en el agua, que parece que avanzan, con formas y colores distintos -abajo- (a veces, estilo cuadrados de los lagos de Potomac, otras, no tan claramente pero parecen no-concéntricas como las del pato Doppler).
Hay distintos tipos de cristales líquidos. Están compuestos de moléculas especiales, que tienen algunas propiedades de los líquidos y otras de los sólidos. Por ejemplo, fluyen como los líquidos, y son anisótropicos como los sólidos cristalinos.
Con anisotropía queremos decir que hay direccionalidad en sus propiedades. En este caso, las moléculas de cristal líquido, que tienen estructuras alargadas y se distribuyen en forma de hélice, pueden reorientarse y filtrar la luz en distintas direcciones. Estas características se aprovechan para jugar con los planos de polarización de la luz mostrando u ocultando los colores en la pantalla.
“Esta anisotropía es la responsable de las texturas características que se observan en capas delgadas de un cristal líquido a través de un microscopio óptico entre polarizadores cruzados y que dependen de la forma en que sus moléculas estén ordenadas y orientadas”
Instituto de Síntesis Química y Catálisis Homogénea, ISQCH (2)
Además, si “dopamos el fluido”, le añadimos moléculas “quirales” -con capacidad de desviar la luz polarizada- en posiciones estratégicas, el fenómeno se vuelve aún más increíble: los cristales líquidos giran alrededor de las “impurezas” en forma de nudos-3D arrastrando con su movimiento las demás moléculas (generando un campo de orientación molecular) creando una especie de danza de moléculas muy visual; Una vez más, la Mula Francis nos lo explica en el siguiente post, Helinudones (heliknotons): nudos tridimensionales en cristales líquidos en el que se comenta un artículo de 2019, homenaje a Lord Kelvin (1867) y su «teoría atómica de vórtices anudados» manipulando este tipo de cristales líquidos dopados (3).
El pelo rayado y coloreado
Así que el haz de luz que sale de la pantalla y choca con el pelo situado sobre el último cristal, ha pasado ya por todas esas capas (filtros, electrodos, polarizadores y cristales líquidos) y llega hasta el pelo provocando la refracción en unas direcciones de la superficie (blanco y negro) y doble refracción (birrefringencia) en otras (esta última provocaría los colores que se ven sobre la fibra).
El pelo, como la lana, es un composite, en su mayoría de proteínas fibrosas ordenadas en el eje vertical, dentro de una especie de cemento también proteico (matriz) en forma final de fibra y además, rodeada de una cutícula, que también está protegida por aceites o lípidos (4). Este orden favorece algunas propiedades en la dirección de cada eje (anisotropía).
Al aplicarle luz también se revela la anisotropía (fotos 2-10), con patrones repetitivos de colores (cian, magenta y amarillo) o patrones en blanco y negro.
El fenómeno de birrefrincia puede decirnos algunas cosas más: da características de la densidad del material, las tensiones residuales que están actuando en la superficie, o como ya se ha mencionado, el orden interno de las moléculas.
Los hemos visto en los de los vídeos (propuestos) de cristales líquidos con imágenes hechas al microscopio con luz polarizada; también se observan en imágenes de ensayos de fotoelasticidad que se aplican para observar los puntos de mayor y menor tensión en ingeniería.
Aquí dejo algunas de estas fotos psicodélicas, sugerentes y de lo más artísiticas.
Artículos interesantes
- Jérémie Teyssier et al., “Photonic crystals cause active colour change in chameleons”. Nature Communications 6: 6368, 10 Mar 2015, doi: 10.1038/ncomms7368. Consulta el 27/12/2019
- ISQCH , “Cristales líquidos. Cuarto estado de la Materia: entre el sólido y el líquido”. Instituto de Síntesis Química y Catálisis Homogénea (UNIZAR-CSIC). Accesible en: http://www.isqch.unizar-csic.es/ISQCHportal/cristalesLiquidos.do?enlaceMenuDerecha=temas&enlaceMenuIzquierda=divulgacion. Consulta el 27/12/2019
- Jung-Shen B. Tai, Ivan I. Smalyukh, “Three-dimensional crystals of adaptive knots,” Science 365: 1449-1453 (27 Sep 2019), doi: https://doi.org/10.1126/science.aay1638. Consulta el 27/12/2019
- Juan Carlos Pesok Melo. 2004. La lana: composición, estructura y propiedades. En Manual del curso de tecnología textil de la Universiada de la República, Uruguay. Accesible en: https://sites.google.com/site/introtecnotextil/iii—la-lana-composicion-estructura-y-propiedades. Consulta el 27/12/2019
Vídeos interesantes
- Cristales Líquidos del Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón (UNIZAR-CSIC)
- Heliknotons in liquid crystals
- Droplets with a twist con Kari Dalnoki-Veress, McMaster University, Hamilton, Canada
La galería de fotos está tomadas de los siguientes enlaces:
>http://isanidad.com/73507/la-manipulacion-de-cristales-liquidos-podria-ayudar-al-proceso-de-liberacion-de-farmacos-de-control/
>https://100cia.site/index.php/quimica/item/10108-que-son-los-cristales-liquidos
>https://www.tekcrispy.com/2018/10/05/cristales-liquidos-origen-vida/
>https://www.nytimes.com/es/2018/08/29/plasticos-arte-degradable/
>https://joidesresolution.org/colors-of-deep-sea-sediments/
>https://www.researchgate.net/publication/275773499_Influencia_de_un_enjuague_a_base_de_fluoruro_y_xilitol_en_la_remineralizacion_in_vitro_del_esmalte_en_dientes_temporales
https://www.vice.com/amp/es_mx/article/jpbjjx/fotografo-revela-los-mundos-coloridos-de-los-cristales-de-hielo»>>https://www.vice.com/amp/es_mx/article/jpbjjx/fotografo-revela-los-mundos-coloridos-de-los-cristales-de-hielo
>https://www.agenciasinc.es/Reportajes/Los-cristales-liquidos-en-la-vida-cotidiana
>http://www.campusmoncloa.es/es/media/galeria/materialsweek/cristal-liquido-colesterico/120/
>http://www.isqch.unizar-csic.es/ISQCHportal/cristalesLiquidos.do?enlaceMenuDerecha=temas&enlaceMenuIzquierda=divulgacion
zIENtzia 
