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Cristal líquido

Cristal líquido , substância que combina as estruturas e propriedades do loucura líquido e cristalino sólido estados. Os líquidos podem fluir, por exemplo, enquanto os sólidos não, e os sólidos cristalinos possuem propriedades de simetria especiais que faltam aos líquidos. Sólidos comuns derretem em líquidos comuns à medida que a temperatura aumenta - por exemplo. o gelo derrete em água líquida. Alguns sólidos realmente derretem duas ou mais vezes com o aumento da temperatura. Entre o sólido cristalino em baixas temperaturas e o estado líquido comum em altas temperaturas está um estado intermediário, o cristal líquido. Os cristais líquidos compartilham com os líquidos a capacidade de fluir, mas também exibem simetrias herdadas dos sólidos cristalinos. A combinação resultante de propriedades líquidas e sólidas permite aplicações importantes de cristais líquidos em telas de dispositivos como relógios de pulso, calculadoras, computadores portáteis e televisores de tela plana.

Estrutura e simetria

Simetrias de sólidos e líquidos

Os cristais exibem simetrias especiais quando deslizam em certas direções ou giram em determinados ângulos. Essas simetrias podem ser comparadas àquelas encontradas ao caminhar em linha reta pelo espaço vazio. Independentemente da direção ou distância de cada etapa, a visualização permanece a mesma, pois não há pontos de referência para medir o progresso de alguém. Isso é chamado de simetria translacional contínua porque todas as posições parecem idênticas.Figura 1Ailustra um cristal em duas dimensões. Essa estrutura cristalina quebra a simetria translacional contínua do espaço livre; começando em uma molécula, há uma distância finita a percorrer antes de chegar à próxima. Alguma simetria translacional está presente, entretanto, porque, ao mover a distância adequada na direção apropriada, é garantido que se localizará moléculas adicionais em excursões repetidas. Essa propriedade é chamada de periodicidade de translação discreta. A imagem bidimensional de um cristal exibe a periodicidade translacional em duas direções independentes. Cristais reais tridimensionais exibem periodicidade translacional em três direções independentes.

Figura 1: Disposições das moléculas. Encyclopædia Britannica, Inc.

Simetrias rotacionaispode ser considerado de forma semelhante. De um ponto no espaço vazio, a visão é a mesma, independentemente da direção para a qual olhemos. Existe simetria rotacional contínua - ou seja, a simetria de uma esfera perfeita. No cristal mostrado emFigura 1A, entretanto, a distância para a molécula mais próxima de qualquer molécula depende da direção tomada. Além disso, as próprias moléculas podem ter formas menos simétricas do que uma esfera. Um cristal possui um certo conjunto discreto de ângulos de rotação que deixam sua aparência inalterada. A simetria rotacional contínua do espaço vazio é quebrada, e apenas uma simetria discreta existe. A simetria rotacional quebrada influencia muitas propriedades importantes dos cristais. Sua resistência à compressão, por exemplo, pode variar de acordo com a direção ao longo da qual se pressiona o cristal. Cristais transparentes, como quartzo, podem exibir uma propriedade óptica conhecida como birrefringência. Quando um raio de luz passa por um cristal birrefringente, ele é dobrado, ou refratado, em um ângulo que depende da direção da luz e também de sua polarização, de modo que o único raio é dividido em dois raios polarizados. É por isso que se vê uma imagem dupla quando se olha através desses cristais.

Em um líquido como o mostrado emFigura 1D, todas as moléculas ficam em posições aleatórias com orientações aleatórias. Isso não significa que haja menos simetria do que no cristal. Todas as posições são equivalentes umas às outras e, da mesma forma, todas as orientações são equivalentes, porque em um líquido as moléculas estão em movimento constante. Em um instante, as moléculas no líquido podem ocupar as posições e orientações mostradas naFigura 1D, mas um momento depois, as moléculas se moverão para pontos anteriormente vazios no espaço. Da mesma forma, em um instante, uma molécula aponta para uma direção e, no instante seguinte, ela aponta para outra. Líquidos compartilham o homogeneidade e isotropia do espaço vazio; eles têm simetrias translacionais e rotacionais contínuas. Nenhuma forma de matéria tem maior simetria.

Como regra geral, as moléculas se solidificam em redes cristalinas com baixa simetria em baixas temperaturas. Ambas as simetrias translacionais e rotacionais são discretas. Em altas temperaturas, após a fusão, os líquidos apresentam alta simetria. As simetrias translacionais e rotacionais são contínuas. As altas temperaturas fornecem às moléculas a energia necessária para o movimento. A mobilidade perturba o cristal e aumenta sua simetria. Baixas temperaturas limitam o movimento e os possíveis arranjos moleculares. Como resultado, as moléculas permanecem relativamente imóveis em configurações de baixa energia e baixa simetria.

Simetrias de cristais líquidos

Os cristais líquidos, às vezes chamados de mesofases, ocupam o meio termo entre os sólidos cristalinos e os líquidos comuns no que diz respeito à simetria, energia e propriedades. Nem todas as moléculas têm fases de cristal líquido. Moléculas de água, por exemplo, derretem diretamente do gelo cristalino sólido em água líquida. As moléculas formadoras de cristal líquido mais amplamente estudadas são moléculas alongadas em forma de bastão, mais parecidas com grãos de arroz em forma (mas muito menores em tamanho). Um exemplo popular é a molécula p -azoxianisol (PAA):

Estruturas de cristal líquido típicas incluem o esmético mostrado emFigura 1Be o nemático emFigura 1C(esta nomenclatura , inventado na década de 1920 pelo cientista francês Georges Friedel, será explicado a seguir). A fase esmética difere da fase sólida em que a simetria translacional é discreta em uma direção - a vertical emFigura 1B—E contínua nas duas restantes. A simetria translacional contínua é horizontal na figura, porque as posições das moléculas são desordenadas e móveis nessa direção. A direção restante com simetria translacional contínua não é visível, porque esta figura é apenas bidimensional. Para imaginar sua estrutura tridimensional, imagine a figura se estendendo para fora da página.

Na fase nemática, todas as simetrias translacionais são contínuas. As posições das moléculas estão desordenadas em todas as direções. Suas orientações são todas semelhantes, no entanto, de modo que a simetria rotacional permanece discreta. A orientação do eixo longo de uma molécula nemática é chamada de diretor. DentroFigura 1Co diretor nemático é vertical.

Foi observado acima que, conforme a temperatura diminui, a matéria tende a evoluir de estados altamente desordenados com simetrias contínuas para estados ordenados com simetrias discretas. Isso pode ocorrer por meio de uma sequência de transições de fase de quebra de simetria. À medida que uma substância no estado líquido tem sua temperatura reduzida, a quebra de simetria rotacional cria o estado de cristal líquido nemático, no qual as moléculas são alinhadas ao longo de um eixo comum. Seus diretores são quase paralelos. Em temperaturas mais baixas, as simetrias translacionais contínuas se transformam em simetrias discretas. Existem três direções independentes para simetria translacional. Quando a simetria translacional contínua é quebrada ao longo de apenas uma direção, o cristal líquido esmético é obtido. Em temperaturas suficientemente baixas para quebrar a simetria translacional contínua em todas as direções, o cristal comum é formado.

O mecanismo pelo qual a ordem líquido-cristalina é favorecida pode ser ilustrado por meio de um analogia entre moléculas e grãos de arroz. As colisões de moléculas requerem energia, portanto, quanto maior a energia, maior a tolerância para as colisões. Se os grãos de arroz forem despejados em uma panela, eles caem em posições e orientações aleatórias e tendem a se prender em seus vizinhos. Isso é semelhante ao estado líquido ilustrado emFigura 1D. Depois que a panela é sacudida para permitir que os grãos de arroz se reajustem em suas posições, os grãos vizinhos tendem a se alinhar. O alinhamento não é perfeito na amostra devido a defeitos, que também podem ocorrer em cristais líquidos nemáticos. Quando todos os grãos se alinham, eles têm maior liberdade para se mover antes de atingir o vizinho do que quando estão desordenados. Isso produz a fase nemática, ilustrada emFigura 1C. A liberdade de movimento é principalmente na direção do alinhamento molecular, já que o movimento lateral rapidamente resulta em colisão com um vizinho. Camada dos grãos, conforme ilustrado emFigura 1B, realça movimento lateral. Isso produz a fase esmética. Na fase esmética, algumas moléculas têm um amplo volume livre para se mover, enquanto outras são compactadas. O arranjo de menor energia compartilha o volume livre eqüitativamente entre as moléculas. Cada molecular meio Ambiente corresponde a todos os outros, e a estrutura é um cristal como o ilustrado emFigura 1A.

Há uma grande variedade de estruturas líquido-cristalinas conhecidas, além das descritas até agora. A Tabela relaciona algumas das principais estruturas de acordo com seu grau e tipo de ordem. A fase esmética-C e as listadas abaixo têm moléculas inclinadas em relação às camadas. A simetria rotacional contínua no plano, presente nas camadas esméticas-A, é quebrada na fase hexática-B, mas uma proliferação de deslocamentos mantém a simetria translacional contínua dentro de suas camadas. Uma relação semelhante ocorre entre o esmético-C e o esmético-F. O cristal-B e o cristal-G têm posições moleculares em sítios regulares da rede cristalina, com longos eixos de moléculas (diretores) alinhados, mas permitem a rotação das moléculas em torno de seus diretores. Esses são os chamados cristais de plástico. Muitas fases interessantes do cristal líquido não estão listadas nesta tabela, incluindo a fase discótica, que consiste em moléculas em forma de disco, e as fases colunares, nas quais a simetria translacional é quebrada não em uma, mas em duas direções espaciais, deixando a ordem líquida apenas ao longo das colunas. O grau de ordem aumenta de cima para baixo na tabela. Em geral, as fases da parte superior da tabela são esperadas em altas temperaturas e as fases da parte inferior em baixas temperaturas.

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