Warning: include(): Failed opening '/home/harrypotter/coduri/sesiune.php' for inclusion (include_path='.:/usr/lib/php:/usr/local/lib/php') in /home/r42147educ/public_html/biblioteca/biologie/cristale_lichide.php on line 2
Cristale lichide
Warning: include(): Failed opening '/home/harrypotter/coduri/header.php' for inclusion (include_path='.:/usr/lib/php:/usr/local/lib/php') in /home/r42147educ/public_html/biblioteca/biologie/cristale_lichide.php on line 10

Cristale lichide
pagina realizata de Papushika


Majoritatea substantelor cunoscute pot fi încadrate în cele trei stari de agregare cunoscute: solida, lichida si gazoasa. Se cunosc totusi o serie de substante care se afla într-o stare intermediara, situata între starea de cristal solid si cea de lichid.

Exista anumite substante organice la care tranzitia de faza solid-lichid nu este directa; între faza lichida si faza solida apar mai multe faze intermediare stabile. În aceste faze substantele sunt anizotrope ca si cristalele solide având totodata proprietatea de fluiditate, caracteristica lichidelor. Datorita acestor proprietati au primit numele de CRISTALE LICHIDE , mezofaze, faze mezomorfe, sau faze fluide condensate cu anizotropie spontana.

Intr-un cristal moleculele sau atomii sunt dispusi în mod regulat, formând o asa-numita retea cristalina. În lichide, moleculele au distante mai mari între ele decât în cazul cristalelor si se misca aparent dezordonat. Deci, în cristale lichide aranjamentul moleculelor nu este chiar atât de dezordonat ca în cazul unui lichid obisnuit. Acest fapt se datoreaza, existentei unui moment, electric dipolar, care obliga moleculele sa se aranjeze una fata de alta numai într-un anumit mod, lucru ce aminteste de ordinea din cristale. Aceasta stare intermediara a cristalului lichid se numeste mezofaza.

Cele trei stari – solida, mezomorfa si lichida - sunt delimitate prin temperaturi bine definite, caracteristice fiecarei substante în parte. Temperatura la care un lichid trece în stare mozomorfa se numeste temperatura de limpezire, iar temperatura la care o substanta trece din stare mozomorfa în stare solida se numeste temperatura de solidificare.

Existenta cristalelor lichide este cunoscuta de aproape un secol, fiind descoperite de botanistul austriac F. Reinitzer (1888) si denumite “cristale lichide” de fizicianul german O. Lehman. Mult timp însa, atat fizicienii cat si chimistii nu le-au considerat a fi stare termodinamic stabila a materiei, contestând si denumirea de cristal lichid. În jurul anului 1930, banuind unele aplicatii, a crescut preocuparea stiintifica a cercetatorilor pentru materialele mezomorfe, captand interesul unor savanti ca W.H. Bragg, Max Born, E. Bose, C. V. Ossen, G. Friedel etc. În aceasta perioada prin cercetarile efectuate s-a evidentiat structura si unele proprietati fizice ale cristalelor lichide.

In urmatorii 25-30 ani, practic, nu s-a facut nici un progress în ceea ce priveste interpretarea teoretica a rezultatelor cercetorilor si dezvoltarea aplicatiilor practice ale cristalelor lichide, desi a crescut numarul substantelor sintetizate care prezinta stare de cristal lichid. Unii fizicieni au fost de parere ca problemele importante ale acestui domeniu au fost cercetate, ramânând neinvestigate doar aspecte minore. De asemenea, a existat tendinta multor fizicieni, fizico-chimisti si chimisti de a subaprecia importantta cercetarii domeniului. Motivul principal al scaderii interesului pentru cercetarea cristalelor lichide, între anii 1930-1960, au fost slabele posibilitati de aplicare practica .

In 1964 Fargaston (SUA) atragea atentia asupra aplicatiilor practice ale cristalelor lichide, iar apoi, din 1968, când Heilmeier (SUA) indica noi aplicatii ale cristalelor lichide în dispozitivele de afisaj, cercetarile s-au dezvoltat într-un ritm nemaiîntâlnit pâna atunci. Astazi aproape ca nu mai exista o universitate sau un institut de cercetari fundamentale si aplicative în domeniul fizicii fara preocupari privind cercetarea cristalelor lichide.

In tara noastra înca din 1974, au fost initiate cercetari fundamentale si aplicative în domeniul fizicii cristalelor lichide de catre acad. prof. dr. doc. Ion Ursu, la Institutul de fizica atomica din Bucuresti.

Cristalele lichide sunt formate din molecule a caror distributie spatiala nu este complet determinata de pozitiile centrilor de masa; pe lânga ordonarea de pozitie, un rol important îl are ordonarea de orientare si rotatie. Ordonarea pozitionala poate fi independenta de forma moleculelor, pe când ordonarea de orientare si rotatie depinde de aceasta.

Ordonarea pozitionala sub-tridimensionala le confera caracterul fluid, specific lichidelor si o vâscozitate dependenta de gradul de ordonare. Ordonarea orientarii moleculelor le confera anizotropia proprietatilor fizice, specifica cristalelor; de aici si numele de cristal lichid. Faza de cristal lichid au unele substante organice cu molecule puternic alungite.

In prezent se cunosc trei tipuri diferite de structuri moleculare care poseda faza de cristal lichid, formate din:
a)molecule organice mici;
b)agregate elicoidale lungi sub forma de baghete, care se gasesc in natura sau pot fi obtinute artificial;
c)unitati mai complexe formate din molecule si ioni, numite structuri asociate.

Deocamdata nu se poate stabili dinainte daca un anumit tip de molecule sau agregate moleculare formeaza sau nu o substanta care sa fie cristal lichid. Exista totusi câteva caracteristici structurale ale moleculelor care s-au dovedit pâna în prezent a fi necesare:


a) Molecule organice mici
Se cunosc compusi organici ce satisfac conditiile de mai sus si care adesea formeaza faze de cristal lichid. Moleculele lor sunt alungite si rigide.

Exemple de grupari de legatura: azot –N=N-; acetilena –C=C-; poliacetilena (- CH=CH-)n, carbonilat –C

Gruparile de legatura pot fi si grupari ciclice de natura steroida(a), acid dimer(b), ciclohexan(c).

Gruparile terminale sunt scurte comparativ cu restul moleculei si relativ mobile conformational. Ex: gr. Alchil Ch3- (CH2)n-; metoxi CH3-O-, halogen: F, Cl, Br, I; nitril –C=N; nitro- NO2.

b) Agregate elicoidale lungi
Solutiile cu concentratii suficient de ridicate, formate din anumiti compusi organici, cu molecule lungi în solventi izotropi obisnuiti, adesea trec în faze de cristal lichid. Astfel, un numar de polipeptide sintetice, în solventi adecvati, având conformatie alungita, cu lungimea da aproximativ 300A? si latimea de cca. 20A? sunt cristale lichide într-un interval de valori ale concentratiei. Faze similare dau si acizii dezoxiribonucleici (ADN) si unii virusi, cum este exemplul clasic al virusului mozaic tabacco (VTM- virusul mozaicului de tutun), cu lungimea de cca.3000A? si latimea de aproximativ 200A? , când sunt dizolvati într-un solvent potrivit(de obicei apa) si în concentratie corespunzatoare.

c) Structuri asociate
Cristalele lichide se pot obtine si pe calea realizarii unor amestecuri de compusi amfiliofili cu solventi polari (ex. Apa). Compusii amfiliofili se caracterizeaza prin faptul ca, în aceeasi molecula exista doua grupari care difera foarte mult în ceea ce priveste proprietatile de solubilitate. O parte a moleculei este hidrofila (cu un înalt grad de solubilitate în apa sau în alti solventi polari), în timp ce, cealalta parte a moleculei este lipofila (cu un înalt grad de solubilitate în hidrocarburi sau în solventi polari). Un exemplu de compus amfiliofil, bine studiat, este lauratul de sodiu a carui structura moleculara este prezentata în figura.

Clasificarea cristalelor lichide facuta de G.Friedel în 1922, se bazeaza în esenta pe simetria structurii lor. Astfel, exista trei clase mari de cristale lichide: cristale lichide nematice, cristale lichide colesterice si cristale lichide smectice.

Substantele care trec în faza de cristal lichid prin modificarea temperaturii se numesc cristale lichide termotrope, iar cele care trec în faza de cristal lichid prin modificarea concentratiei lor în solutie se numesc cristale lichide liotrope. Cristalele lichide termotrope sunt importante din punct de vedere al cercetarilor fundamentale cât si al aplicatiilor tehnologice, iar cristalele lichide liotrope, pe de alta parte, sunt importante datorita rolului lor în sistemele biologice si tesutul viu.

I. Cristale lichide termotrope
Asa dupa cum indica numele, cristalele lichide termotrope se obtin prin încalzirea cristalelor solide. Cele mai multe cristale lichide termotrope sunt formate din compusi organici cu molecule lungi. Au fost gasite cristale lichide termotrope formate si din anumiti compusi care au molecule sub forma de disc. Obtinerea cristalelor lichide termotrope, din acestea din urma, se realizeaza prin carbonizarea sau grafitarea materialelor organice respective.

a) Cristalele lichide nematice : O clasa mare a cristalelor lichide termotrope sunt cristalele lichide nematice, denumire atribuita de Friedel, de la cuvântul grecesc ??µa – fir, ce prezinta o aranjare paralela a moleculelor, fara ca sa apara o structura stratificata; observate la microscop aceste substante apar sub forma unor siruri asemanatoare cu firele de ata. Faza nematica se caracterizeaza prin aceea ca axele geometrice ale moleculelor se orienteaza paralel între ele, de-a lungul unei axe preferentiale care constituie axa optica a cristalului lichid. Centrele de masa ale moleculelor nu se dispun ordonat, ceea ce determina o mobilitate în spatiu a moleculelor si implicit fluiditatea cristalului lichid. Directia de orientare a moleculelor( adica axa optica) poate fi modificata în urma actiunii unor factori externi cum ar fi: temperatura, câmpuri electrice si magnetice, interactiunile cu peretii incintei în care se afla cristalul lichid.

b) Cristale lichide colesterice : Moleculele cristalelor lichide colesterice au ordonare orientationala a axelor lungi ale moleculelor si asezare neordonata a centrilor de masa, asemanator cristalelor lichide nematice, dar difera de acestea prin structura de echilibru. Denumirea de cristale colesterice provine de la colesterol, deoarece pentru prima data structura colesterica a fost observata la unii esteri ai colesterolului. Ele prezinta o structura stratificata de forma elicoidala. Datorita acestei structuri cristalele prezinta o serie de proprietati cum ar fi si reflexia selectiva a razelor luminoase. Aceasta are la baza notiunea de temperatura, încalziri locale ale ecranului “colesteric” obtinute prin transformarea impulsurilor electrice, ceea ce face ca aceste cristale lichide colesterice sa fie folosite ca indicatori de temperatura în medicina sau la realizarea unor ecrane pentru televizoarele color.

c) Cristalele lichide smectice : Prima lucrare care a pus în evidenta diferite structuri ale cristalelor lichide smectice a fost publicata în 1932 de Herrmann si Krummacher. Denumirea de smectic atribuita acestora provine de la cuvântul grecesc „smectos” (sapun), datorita structurii stratificate asemanatoare solutiei de sapun. Pe baza studiilor în raze X acestia au descoperit ca cele mai multe faze smectice dau figuri de difractie, care în partea mai interioara au unul sau mai multe inele nete, iar mai în exterior un inel difuz. Alte faze smectice dau figuri de difractie, cu unul sau mai multe inele interioare nete si un inel net exterior. Datorita acestei diferente între maximele de difractie trebuie sa existe o diferenta si în aranjamentul moleculelor. Bazat pe aceasta, Herrmann si Krummachir au tras concluzii ca exista doua tipuri diferite de faze smectice.

Cele mai sistematice si detaliate studii, asupra fazelor smectice si clasificarii acestora în diferite tipuri au fost facute de Sackmann, Demus si colaboratorii. Pe baza relatiilor de miscibilitate, structura microscopica si figuri de difractie cu raze X. Acesti cercetatori au considerat ca exista sapte tipuri de cristale smectice. Mai recent,la Institutul de Cristale lichide din Kent, Ohio, Adriaan de Vries, pe baza studiilor de raze X si microscopice, a stabilit structura celui de-al optulea tip de cristal lichid smectic, denumit smectic H.

Unele materiale termotrope, supuse încalzirii, trec din faza solida în faza lichida prin mai multe mezofaze. Astfel de materiale se numesc polimorfe, iar fenomenul se numeste polimorfism. Ordinea aparitiei mezofazelor se obtine pe calea cresterii temperaturii. Astfel, mezofaza cea mai ordonata se gaseste la temperaturi apropiate de temperatura de tranzitie spre faza solida.

II. Cristale lichide liotrope sunt asemanatoare cu cele termotrope în privinta fluiditatii lor si a ordonarii moleculelor. Ele se deosebesc de acestea din urma prin compozitie având structuri ce contin un numar mare de molecule amfiliofile dizolvate într-un solvent cu polaritate ridicata. Astfel de molecule contin doua parti cu caractere diferite: una hidrofila si una lipofila. În functie de intensitatea relativa a celor doua tendinte, substantele respective prezinta o solubilitate ce variaza între limite foarte largi. Când tendintele hidrofile si hipofile sunt puternice si de intensitati comparabile se constata ca moleculele amfiliofile au o serie de caracteristici remarcabile ca: solubilitate ridicata, formarea sarii de cristal lichid etc. Compusii amfiliofili sunt solubili atât în apa (solvent polar) cât si în hidrocarburi (solventi nepolari) având puternice efecte de cosolvent sau solubilizare.

Cristalele lichide liotrope sunt la randul lor de mai mute feluri: cu structura lamelara, cubica, hexagonala, hexagonal-compacta si tetragonala. Cele mai interesante proprietati le prezinta cele cu structura lamelara. Ele prezinta o structura în strat dublu, ordonata. Moleculele se aranjeaza în straturi duble bidimensionale, astfel încât capetele hidrofobe sunt spre interior fara a fi în contact cu apa, în timp ce capetele hidrofile sunt spre exterior fiind în contact cu apa.

Bibliografie selectiva:
Livia Julea- Microenciclopedia de chimie- Ed. Albastra, Cluj 2000.
V. Vasilescu- Biofizica medicală- Ed. Didactica si pedagogica, Bucuresti, 1979.
F. Moia, H. Seiberle, M. Schadt- Proceedings of SPI, Security and Counterfeit detterrence Techniques III, vol. 3973, 2000.
W. Hiller, T. A. Kowalewski- Flow Visualization IV, Ed. Claude Veret, Hemisphere, Paris, 1987.
D. Hanson, , G. Pioggia, Y. Bar Cohen, D. de Rossi- Proceedings of EAPAD, S PIE’s 8th Annual International Symposium on Smart Structures and Materials, Newport, CA Paper No. 4329 – 74, 2001.
T. A. Kowalewski, A. Cybulski- Int. Conf. On Heat Transfer with Change of Phase, Kielce, in Mechanics vol. 61/2, 1996.
Warning: include(): Failed opening '/home/harrypotter/coduri/footer.php' for inclusion (include_path='.:/usr/lib/php:/usr/local/lib/php') in /home/r42147educ/public_html/biblioteca/biologie/cristale_lichide.php on line 118