Cristales Liquidos Monografia Super Import Ante

5/16/2018 Cristales Liquidos Monografia Super Import Ante - slidepdf.com

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Cristales líquidos: Liotrópicos

Los cristales líquidos liotrópicos son sustancias que están constituidas por

moléculas anfílicas o anfipáticas, que a su vez son aquellas que poseen un

extremo hidrofílico (que es soluble en agua) y otro hidrófobo (que no se disuelva

en agua), tales como ácidos grasos, aminas, alcoholes de cadena larga ya que

están enlazadas a las moléculas de tensoactivos mediante fuerzas intermolecular

como Van der Waals y puente de hidrógeno, su característica principal es que

para una temperatura fija, este CL (cristal liquido ) aparece en un intervalo de

concentración. La palabra liotropía proviene del latín lyo , que significa desleír, es

decir, disolver en un líquido. Se clasifican en fases liotrópicas de formulación

hexagonal normal e inversa, cúbicas y laminar.

La fase hexagonal se subdivide en otras dos fases, la

hexagonal normal y la hexagonal inversa. La hexagonal

normal está formada por micelas con forma cilíndrica como

la mostrada a continuación. En este tipo fase liotrópica se

evidencia su comportamiento polar-apolar, ya que en la

superficie, tiene comportamiento polar y en su interior es

apolar. Su estructura se base en el empaquetamiento en

forma hexagonal de de estos cilindros que tienen agua en

una fase continua, lo que ocupa los espacios vacios entre

los cilindros.

Los cristales líquidos pertenecientes a esta

categoría se caracterizan por no fluir bajo la acción de la

gravedad, pero si se los somete a un esfuerzo de corte

suficientemente grande, lo hacen plásticamente. A pesar

de su alta viscosidad, contienen una proporción de

tensoactivo menor que la fase laminar.

La fase hexagonal inversa se constituye por

grupos polares de moléculas anfipáticas y cadenas

hidrocarbonadas que ocupan el espacio vacío del

volumen que lo conforma, de manera similar a los

alcanos líquidos. Este tipo de estructura se halla

fácilmente en fosfolípidos como los de las

fosfatidiletanonamina que tienen grupos polares



pequeños, poco hidratados y que poseen interacciones de atracción entre sí,

abundantes en los tejidos humanos.

La fase cúbica se puede clasificar en dos ordenamientos diferenciados:bicontinuas y micelares. Las fases bicontinuas están basadas en superficies

mínimas periódicas, mientras que las micelares en acomodamientos complejos o

agregados micelares discretos. Ambos tipos de fases cúbicas pueden ser

normales o inversas. Una característica que comparten en común es que ambas

tienen una viscosidad muy elevada.

Fase cúbica bicontinua inversa Fase cúbica micelar

La fase laminar está formada por bicapas de moléculas de una sustancia

anfílica separadas entre sí por capas de agua. Esta fase líquida cristalina se

caracteriza por su relativa fluidez, a pesar de poseer una elevada proporción de

tensoactivo, lo que permite su bombeo en instalaciones industriales. La fase laminar

aparece en la interfase de las emulsiones; cuanto mayores son las características

líquido cristalinas de una emulsión, mayor es su estabilidad, ya que de esta forma

se mantienen separados entre sí a los glóbulos que constituyen la fase dispersa.

Los cristales líquidos presentan características tales como el parámetro

crítico de acomodamiento y la curvatura que se relacionan con la entalpía libre en

las moléculas, el parámetro de orden que indica la orientación del ordenamiento

mediando un vector unitario, la difracción de rayos X que es una propiedad

características de los sólidos cristalinos, y la birrefrigencia, característica de los

cristales líquidos tanto termotrópicos y liotrópicos y los sólidos cristalinos



Parámetro crítico de acomodamiento

Es la condición crítica para la formación de micela, definido mediante la

siguiente ecuación:

Donde v es el volumen ocupado en una cierta micela o fase liotrópica por la

parte lipofílica de la molécula anfipática, es el área disponible para la zona polar

que da la menor entalpía libre por molécula, a la que se denomina dominio de

hidratación. Su valor depende tanto de la geometría de la molécula como de su

temperatura, de la concentración de la sustancia anfílica, del pH y de la fuerza

iónica del medio, e es la medida de su largo cuando está completamente

extendida.

Entonces para ciertos compuestos, este parámetro solo dependerá de ,por ejemplo para una cadena carbonada sería , aprox. A continuación

un cuadro con las celdas unitarias comunes.

Fase Geometría Volumen Área

Liotrópica Molecular del cuerpo

Cúbica Esfera

Micelar Radio

Hexagonal Cilindro

Radio

Laminar Prisma Recto

Alto 2

Hexagonal Cilindro

Inversa espesor

Cubica MI Esfera hueca



Curvatura

La curvatura media en un punto de una superficie se define de la siguientemanera:

( )

Donde R1 y R2 son los radios de curvatura máximo y mínimo en dosdirecciones perpendiculares entre sí. Las inversas de esos radios son lascurvaturas principales (c1 y c2). La curvatura es una magnitud vectorial y, por lotanto, puede ser positivo o negativo, que se fija arbitrariamente. En el caso deagregados de sustancias anfílicas, el valor positivo se obtiene cuando la partehidrofílica forma una superficie convexa al ser observada desde la zona lipofílica,mientras que si esa superficie es cóncava, el signo es negativo.

La curvatura de Gauss (K ) está dada por la siguiente expresión:

En la fase laminar, los dos radios de curvatura son infinitamente grandes ytanto la curvatura media como la gaussiana son iguales a cero.

En el caso de los cilindros que forman la fase hexagonal, un radio decurvatura es el del cilindro (r ) mientras que el otro es infinitamente grande. Por lo

tanto, en esta fase, la curvatura media es igual a

, mientras que la de Gauss es

nula. Para lasesferas de la fase cúbica micelar los dos radios de curvatura soniguales al radio r de la esfera. Por lo tanto, la curvatura media es igual a

y la

gaussiana

. En cuanto a las fases inversas, la curvatura media tiene signo

negativo.

Parámetro de orden

Esta es una característica que se presenta tanto de los CL liotrópicos comotermotrópicos y determina la orientación que tienen las moléculas respecto a uneje común al que se denomina director y que se representa mediante un vector

unitario.

En la fase laminar, Lα, el director es, en teoría, perpendicular a las capas. En lafase hexagonal, el vector que representa al director es perpendicular a lasuperficie lateral de los cilindros y corresponde a la orientación promedio de lascadenas hidrocarbonadas ubicadas sobre una línea ubicada en la superficie decada cilindro paralela a su eje.



El parámetro de orden se representa como según la IUPAC, y sedefine de esta forma:

Donde β es el ángulo entre el eje de simetría molecular y el director, y el símbolo <>indica el promedio general.

Mientras que en la fase laminar las cadenas hidrocarbonadas poseen undesorden similar al de los hidrocarburos líquidos, en una fase gel ideal, todas lascadenas hidrocarbonadas estarían igualmente orientadas y, por lo tanto, el valor delángulo sería igual a cero y el parámetro de orden tomaría el valor 1, lo que indicaun ordenamiento perfecto de las cadenas hidrocarbonadas.

Difracción de Rayos X

La difracción de rayos X en pequeño ángulo da información sobre la estructura decada una de las fases líquidos cristalinos. La diferencia con las técnicas dedifracción de rayos X convencionales es el reducido valor del ángulo () entre ladirección del haz de rayos X incidente y los planos que producen la difracción. Losbajos valores de estos ángulos son una consecuencia de que las distancias (a lasque se denominan espaciados) entre los planos cristalinos de una misma familia (d )son apreciablemente mayores en los cristales líquidos que en la mayoría de lossólidos cristalinos. En efecto, por la ley de Bragg, el seno del ángulo de difracciónes inversamente proporcional al espaciado.

=

En la ecuación de Bragg, n toma valores enteros positivos comenzando por 1 y sedenomina orden de la difracción. Para un mismo espaciado, el seno del ángulo esdirectamente proporcional al orden de la difracción.



Birrefringencia

Los cuerpos anisotrópicos, tales como las fases líquido cristalinas nocúbicas, presentan el fenómeno de la birrefringencia o doble refracción: un rayode luz incidente se divide

en otros dos que estánpolarizadosperpendicularmente entresí. Si el rayo de luz incideparalelamente a unacierta línea, el ejeóptico, ocurre unarefracción sencilla y nodoble. Los cuerpos quetienen un solo eje ópticose denominan uniáxicos o

uniaxiales, mientras quelos biáxicos (o biaxiales)son los que poseen dosejes ópticos. En loscuerpos uniáxicospositivos, el índice derefracción es máximo enla dirección del ejeóptico, mientras que en los negativos es mínimo. En los cristales uniáxicos, elíndice de refracción es constante para uno de los rayos, el ordinario, pero para elotro, el extraordinario, depende de la dirección de propagación de la luz en el

material.

El fenómeno de la doble refracción es responsable de la imagen almicroscopio polarizante, a la que se denomina textura óptica, que se observa alcruzar los polarizadores. La textura óptica se debe a la orientación superficial delos directores en los límites de la muestra y a los defectos en su estructuracristalina.

Propiedades ópticas de la fase laminar

La fase laminar tiene la propiedad de formar un cristal uniáxico, es decir de

monorrefringencia en su eje óptico perpendicular a las capas. A esta zona delcristal líquido se le conoce como dominio, y es la región de una fase líquida quepoco un solo vector director.

Cuando dos capas se disponen paralelamente al porte y cubre objeto, el ejeóptico queda paralelo al del microscopio. Esta alineación en la que el vectordirector forma un angulo perpendicular con las capas paralelas, se le conoce comohemeotrópico. En este alineamiento el cristal líquido solo muestramonorrefringencia, es decir solo difracta una imagen del rayo de luz, y no dos



como se espera por propiedad de este tipo de cristal líquido. Esta propiedad solose da cuando tiene una textura de burbujar o gotitas.

En otro tipo de textura que presenta la fase laminar, tales como cónicofocales, en esta textura, su propia forma de las capas crean un encorvamiento en

la fase laminar, minimizan la tensión e impiden la formación de una disposiciónuniaxial.

Un autor conocido como Rosevear creó una clasificación para las distintastexturas existentes. Las texturas cónicas focales las dividió en texturas debidas altipo de unidades y texturas compuestas. A las primeras, se les dividió en unidadespositivas, negativas y con forma de abanico. Las unidades positivas y negativasson las que dan cruces de extinción que corresponden, respectivamente, aestructuras uniáxicas positivas y negativas.

Dentro de las texturas compuestas se encontraban los mosaicos, líneas

oleosas, bordes birrefringentes y terrazas, con forma de abanico.

Las texturas mosaico tienen una forma como lasde la imagen a la derecha del texto, se parecen a laregión policristalina de un material completamentecristalizado. Sin embargo, mientras que en estos últimosse observan discontinuidades entre granos, en la faselaminar se presenta una transición gradual desde unaunidad a la siguiente. Esta particularidad permitediferenciarla de la fase hexagonal, este tipo de texturarepresenta el máximo grado de desorden a nivel

microscópico de la fase laminar.

Las líneas oleosas también tienen unparecido con la región policristalina yse ponen en evidencia al agitar lamasa líquido cristalina o por otra causaque produzca una orientación lineal.Así, por ejemplo, se observan comoconsecuencia del paso de una burbujade aire a través de una masa contextura uniaxial. Estas constituyen laestructura ideal compuesta de capasplanas y paralelas en dominios y

aparece como largas bandas con una compleja estructura interna.



Propiedades ópticas de la fase hexagonal

El eje óptico de esta fase es paralelo al eje longitudinal de los cilindros. Las

verdaderas texturas axiales de la fase hexagonal, en las que el haz de luz es

paralelo al eje óptico, son raras y, cuando se presentan, son similares a las de lafase laminar.

Al igual que en la fase laminar, en la hexagonal las texturas cónico-focales

también se clasifican en texturas debidas al tipo de unidades y texturas

compuestas. Dentro de las primeras, la más común está formada por unidades

con forma de abanico. Esta textura se observa como unidades aisladas cuando la

fase hexagonal precipita por evaporación de agua a partir de una dispersión

isotrópica.

Las principales texturas compuestas que se observan en la fase hexagonal

son las líneas oleosas, la textura con forma de abanico, la textura angular, campo

de extinción casi completa y pequeños bastones. A diferencia de la fase laminar,

las líneas oleosas de la hexagonal se encuentran solamente en una matriz

isotrópica.

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