Telas de Cristal Líquido (LCD) – como um cristal pode ser líquido?

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Há uns poucos anos atrás entraram no mercado os primeiros monitores de cristal líquido para computadores (popularmente são conhecidos como LCD, liquid crystal display, em inglês). Na época eram muito mais caros que os tradicionais monitores de tubo de imagem, mas logo ganharam espaço, tiveram seus preços barateados, e se popularizaram. Eram mais leves, mais econômicos, mais bonitos, tinham telas maiores e ocupavam menos espaço (bem menos!). Logo depois as telas de LCD chegaram às salas das casas na forma de televisores, substituindo as antigas TVs de tubo de imagem, e as recentes TVs de plasma (e sendo logo substituídas pelos televisores de LED).  Hoje todos conhecem as telas de LCD, e é bem provável que você esteja lendo esse artigo numa dessas. Mas … embora o nome tenha uma maior popularidade hoje, nós já tínhamos acesso a telas de cristal líquido há muito tempo. Não como televisores ou monitores, mas como displays de calculadoras, relógios digitais, pagers, celulares etc. E sendo um pouco nostálgico, os mais antigos devem se lembrar que esta tecnologia também estava presente nos falecidos minigames.

Mas já pararam para prestar atenção ao significado do nome LCD? Cristal líquido? Não acham esse nome um tanto quanto estranho? Pensem bem … qual é o estado físico de um cristal? Sólido, não é? Então, como um cristal pode ser líquido? Bom … vamos olhar isso um pouco mais sob o óptica da química.

Na verdade uma substância que funciona como um cristal líquido não está nem no estado sólido, nem no estado líquido, e sim numa fase intermediária entre esses dois estados físicos. O nome genérico para essa fase intermediária é mesofase (literalmente fase, ou estado, intermediário). Este é um estado que o material pode manter algumas características do estado sólido, e algumas do estado líquido,e neste caso, as mais interessantes são capacidade de ordenação de um cristal, e o a fluidez de um líquido.

Na verdade, as moléculas que formam um cristal líquido apresentam a organização típica de um cristal ao longo de uma única direção (e não ao longo de três, como é característico de um “cristal sólido”), porém, podem fluir como um líquido ao longo das outras direções.

Essa combinação de propriedades permite o uso tecnológico dos cristais líquidos. Imagine um conjunto de molécula na mesofase, alinhadas ao longo de uma direção característica. Ao ser aplicada uma diferença de potencial, essas moléculas podem se alinhar ao longo de uma nova direção, mudando assim o sentido do seu fluxo. Quando usada a tecnologia adequada, isto possibilita, por exemplo, que os termômetros de rua alternem entre a forma termômetro, e relógio, de acordo com o pulso elétrico aplicado sobre ele. Podemos também imaginar um relógio digital, em que a cada minuto, ou segundo, o campo elétrico mude, e com isso as moléculas se alinham de uma maneira diferente, que nos possibilita acompanharmos a variação do tempo. Na verdade, as moléculas se alinham de maneira a permitir a passagem da luz, ou de bloqueá-la. Quando a luz é bloqueada nós enxergamos os traços pretos no relógio digital, calculadora, etc.

Outra característica interessante é que o alinhamento das moléculas em cristal líquido e/ou a distância entre as camadas de moléculas, em geral mudam com a temperatura. Baseado nessa propriedade foram criados alguns termômetros de cristal líquido que indicam a temperatura através da cor. Como assim? Quando a luz visível incide sobre esse material, ela interage com as camadas de cristal líquido, e é refletida em uma cor característica. No entanto pequenas variações de temperatura (como de 37 °C para 39 °C) fazem com que a orientação das moléculas seja diferente, bem como a distância entre os planos. O resultado disto é que a interação com a luz vai ser diferente, resultando em uma cor observada diferente. Normalmente se usa uma mistura específica de diferentes cristais líquidos para se obter a coloração desejada.

Molécula Alongada
Alquil-ciano-bifenila

Mas qualquer molécula pode servir para formar cristais líquidos? Não! Isso porque a maioria das substâncias não apresentam mesofase estável. Normalmente para uma substância servir como cristal líquido, suas moléculas apresentam algumas características comuns. Uma delas é que as moléculas costumam ser alongadas, e com uma cadeia carbônica de médio tamanho. O tamanho da cadeia carbônica interfere diretamente nas propriedades do cristal líquido. Além disto, a molécula costuma apresentar um grupo polar na outra extremidade, que vai se orientar ao longo do campo elétrico aplicado. Um bom exemplo de uma molécula assim é a alquil-ciano-bifenila, que pode ser observada na figura à direita.

Uma interessante molécula capaz de apresentar mesofase estável, e com isso ser um cristal líquido em potencial, é o colesterol. Essa propriedade desde o século XIX graças ao trabalho do austríaco Friedrich Reinitzer. Isto se dá basicamente porque o colesterol apresenta as características básicas para uma molécula gerar as propriedades de um cristal líquido – ser alongada e possuir um grupo polar na extremidade (neste caso o grupo -OH, como pode ser visto na figura ao lado).

Colesterol
Colesterol

Na verdade, moléculas como o colesterol, que dentre outras coisas apresentam quiralidade, formam um tipo de mesofase especial, chamada de mesofase colestérica. O que é isso? É o seguinte, já sabemos que moléculas na mesofase se alinham ao longo de uma direção preferencial, mas às vezes, podem formar camadas bem definidas. Quando a mesofase forma camadas, essa mesofase é chamada de fase nemática. Caso todas as camadas compartilhem a mesma direção preferencial temos a fase nemática propriamente dita. Mas existem casos, como é o caso do colesterol, em que as camadas da fase nemática, se orientam em direções distintas, e nesse caso temos a fase nemática quiral (ou colestérica). Quando não são formadas camadas a mesofase é chamada de esmética. Entenderam?

Hoje ainda se procura por novos materiais que apresentam mesofase estável, e principalmente o procura-se o melhor entendimento dessas propriedades. Tudo isso faz com que os cristais líquidos ainda seja um campo vivo, e em grande desenvolvimento.

E ai, gostaram do artigo? Entenderam um pouco como funcionam os cristais líquidos? E principalmente como “um cristal pode ser líquido”? Então deixem seus comentário e sugestões. Tem algum tema que vocês querem ver aqui no blog? Podem deixar nos comentários.

Fonte:  

A. Burrows, et al, Química, Volume 2, Capítulo 18. LTC.

 P. Atkins, J. de Paula, Físico – Química, Volume 1, 5° Edição, Capítulo 5. LTC.