Cristale Lichide Materiale cu Organizare Moleculară Intrinsecă

Caracteristici Generale ale Cristalelor Lichide

Între starea cristalină, caracterizată prin ordine tridimensională, şi starea izotropă amorfă, există o stare lichid cristalină. Această stare este caracteristică anumitor molecule care posedă atât proprietăţi caracteristice cristalelor cât şi lichidelor. De fapt din punct de vedere al cristalinităţii, astfel de molecule, numite cristale lichide (CL), sunt caracterizate pe de o parte de tendinţa de ordonare structurală şi pe de altă parte au proprietatea de a curge (alunecarea planurilor moleculare unele peste altele), ca şi la lichide. Pentru a evidenţia tendinţa de ordonare intermediară stării cristaline şi amorf izotropă, Friedel introduce noţiunea de „mezomorf” (mezos in greacă înseamnă median). Astfel că, moleculele care au această tendinţă de orientare preferenţială, deci caracterizate de apariţia unei anizotropii structurale, sunt numite „molecule mezogene”. Deci mezofaza sau starea mezomorfă este o stare termodinamic stabilă, intermediară tranziţiei lichid-solid. În această stare, substanţele păstrează atât proprietăţile solidului izotrop (fluiditate, coalescenţa picăturilor la contact, etc ) cât şi proprietăţile solidului cristalin care determină în fap anizotropia proprietăţilor fizice.

Deci, substanţa mezomorfă (mezogenă) este substanţa capabilă de a forma mezofază. Capacitatea de a forma mezofază este determinată de existenţa unor grupe mezogene, grupe de atomi termodinamic şi chimic stabile denumite grupe mezogene.

Moleculele care au această proprietatea de a forma mezofază sunt caracterizate de o rigiditate intrinsecă, tradusă printr-o structură micromoleculară de tip baston sau disc (figura II-1).

a) b)

FIGURA II-1

Exemplificarea structurii interne a CL: a) tip baston; b) tip disc.

Corelarea compoziţiei chimice intrinseci cu structura supramoleculară defineşte criteriile generale pe care trebuie să le îndeplinească, din punct de vedere constitutiv, un compus chimic pentru a manifesta caracter de CL:

- Moleculele trebuie să fie alungite, înguste sau plane şi să conţină una sau mai multe grupări rigide care să definească axa lungă a moleculei;

- Să aibă moment de dipol permanent, puternic;

- Să conţină secvenţe moleculare uşor polarizabile care să admită apariţia unui moment de dipol indus mare şi o anizotropie ridicată a polarizabilităţii;

- Să conţină grupe dipolare la extremităţi care să aibă un moment de dipol permanent slab.

În acest context, structura generală a unei molecule CL este:

În general, moleculele CL conţin:

- Două sau mai multe grupări aromatice (mai rar heteroaromatice şi/sau cicloalifatice);

- Una sau mai multe grupe mezogene de legătură (A-B; tabel II-1) ;

- Două grupe terminale X şi Y dispuse în mod obişnuit cu dimensiunea mai mare de-a lungul axei moleculei (tabel II-2).

Ţinând cont de factorii externi care induc această ordonarea supramoleculară, moleculele cu proprietăţi de cristal lichid (CL) se clasifică în două familii mari:

- CL termotrope, pentru care formarea mezofazei este condiţionată de temperatură;

- CL liotrope, la care formarea mezofazei este condiţionată de un solvent.

CL sunt de asemenea sensibile la acţiunea altor factori externi, cum ar fi: câmp magnetic şi/sau electric, presiune, etc

Domeniul de existenţă al mezofazei în cazul CL termotrope este definit de intervalul termic care marchează trecerea din stare solidă în starea lichid izotropă. Astfel, intervalului de mezomorfism se transcrie:

Solid Mezofază TCL Lichid izotrop

(II-1)

unde: TCL este temperatura de clarificare, valoarea particulară a temperaturii la care toate moleculelel sunt perfect aliniate în raport cu axa directoare; Tt este temperatura de topire.

Astfel de modificări de stare se realizează:

- prin tranziţii enantiotrope, la care faza de CL apare atât la încălzire cât şi la răcire

- prin tranziţii monotrope, la care faza CL apare numai la răcire înaintea cristalizării.

Ordinea orientaţională la distanţă la nivelul mezofazei se caracterizează prin alinierea longitudinală a grupelor mezogene în raport cu o axă directoare. Astfel că, în raport cu axa directoare se disting două mari categorii de mezofaze (figura II-2): smectică (Sm) şi nematică (N). În ambele cazuri axele moleculelor longitudinale au orientare preferenţial paralelă, moleculele dispunându-se ca agregate, ceea ce determină apariţia unei anizotropii geometrice locale.

Tabel II-1

Grupări mezogene întâlnite în constituţia CL

metin (baze Schiff)

poliacetilenă

azo

clorvinilen

azoxi

acetiliden

nitronă

carboxilat

colesterol şi derivaţii săi

Dimer acid

ciclohexan

oximetilen

imină

diazometină

alilimină

imidă