Presentes en toda la naturaleza, los cristales han deslumbrado a hombres y a mujeres desde tiempos inmemoriales no solo por su hipnótica belleza, sino por sus infinitas posibilidades en todas las facetas de la vida cotidiana: para embellecer al ser utilizados en las artes suntuarias, para servir como utensilios en el trabajo, o bien, para salar o endulzar alimentos. Esta fascinación humana por los cristales perdura hasta nuestros días: en pleno siglo XXI, los cristales son parte esencial del desarrollo científico y tecnológico de frontera.
En efecto, los cristales están presentes lo mismo en la industria de los alimentos y en la de los cosméticos que en la aeronáutica, la industria electrónica a base de silicio, la tecnología espacial, el diseño de nuevos fármacos, la tecnología de pantallas de cristal líquido, en las biociencias, en la agricultura, así como en el desarrollo de nuevas energías, nuevos materiales y procesos para mejorar la calidad del agua por mencionar solo algunos.
Este año, la Unión Internacional de la Cristalografía y la UNESCO organizan el Año Internacional de la Cristalografía, en conmemoración del centenario del descubrimiento hecho por Max Von Laue de que los cristales difractan o desvían los rayos X en direcciones determinadas por la estructura del mismo, lo que dio origen a la cristalografía de rayos X. También se conmemoran los trabajos de William Henry Bragg y William Lawrence Bragg, quienes en 1915 demostraron que los rayos X se pueden utilizar para determinar la estructura interna de los cristales. Esta técnica se sigue utilizando actualmente para estudiar las propiedades de los materiales.
La cristalografía de rayos X está detrás de algunos de los proyectos científicos más revolucionarios, como los trabajos de James Watson y Francis Crick, quienes descubrieron la estructura molecular del ADN. La Noche de las Estrellas se une este 2014 a los festejos del Año Internacional de la Cristalografía para difundir la relevancia de los cristales y de la cristalografía, que subyacen en gran parte del desarrollo científico y tecnológico actual.
Un cristal, de acuerdo con la Unión Internacional de la Cristalografía, es un material sólido cuyos átomos están organizados en arreglos regulares y simétricos en tres dimensiones. Sin embargo, no todos los cristales son sólidos. En 1888, el biólogo austriaco F. Raintizer descubrió los cristales líquidos, los cuales poseen un enorme potencial para realizar investigación original y para el desarrollo de nuevas tecnologías.
Los cristales líquidos se pueden encontrar en la naturaleza, por ejemplo, en la pared celular y en la telaraña. Los hermosos colores de algunos escarabajos se deben a que su caparazón está hecho de cristales líquidos colestéricos. También hay productos de uso diario a base de cristales líquidos como los jabones. El kevlar, que es el material usado en los chalecos antibalas, está hecho de cristales líquidos poliméricos. Este material tiene un papel fundamental en la vida cotidiana. ¿Se imaginan un mundo sin displays o sin jabón?
Los cristales líquidos combinan propiedades de líquidos y sólidos. En un cristal ordinario como el diamante, los átomos están en posiciones fijas y regulares en cualquier dirección, tienen orden posicional y de orientación. Por el contrario, los cristales líquidos pueden fluir y tomar la forma del recipiente que los contiene. Sabemos que en los líquidos las moléculas no tiene orden posicional ni orientacional. Entonces, ¿por qué se llaman así? Los cristales líquidos están formados por moléculas orgánicas alargadas, parecida a los palillos chinos. En este juego los palillos son juntados en manojos antes de soltarlos y de cierta manera se induce orden orientacional pero no posicional, lo mismo sucede con las moléculas de cristal liquido, i.e. se pueden arreglar en manojos. Cuando dejamos caer los palillos sobre la mesa, estos se desordenan y ocupan posiciones y orientaciones aleatorias, entonces decimos que tenemos un líquido isotrópico. Mediante procesos químicos o térmicos podemos obtener fases estables cristalinas o isotrópicas. En todas las aplicaciones prácticas de los cristales liquidos, se requiere que exista cierto orden orientacional.
Estos materiales tienen diversas aplicaciones. Están presentes en los televisores y en todo tipo de pantalla. Deben tener propiedades especiales para funcionar adecuadamente. Por tal razón, son sintetizados en varios laboratorios del mundo. Su síntesis no es barata y pocos laboratorios pueden producir las cantidades requeridas por la industria. Merck, el gigante farmacéutico alemán, controla aproximadamente 70 por ciento del mercado mundial de cristales líquidos. En el mundo y en México hay muchos laboratorios que los pueden sintetizar, pero en pequeñas cantidades y no con fines comerciales.
Algunas ventajas de las pantallas de cristales líquidos sobre las de rayos catódicos y de plasma son su menor peso y volumen, bajo consumo eléctrico, alta resolución de imagen y gran variedad de colores, lo que permite generar imágenes impresionantes e incluso tridimensionales. Sin embargo, su futuro en displays no es muy prometedor debido al surgimiento de nuevas tecnologías, como LEDS orgánicos, que han demostrado displays con mayor resolución, menor peso y menor consumo de energía. Pero a pesar de todo su futuro sigue siendo prometedor en otras aplicaciones: en sensores de temperatura, procesado de imágenes, holografía y controladores de polarización de la luz.
Existen varios proyectos en el INAOE sobre cristales, en uno de ellos se está trabajando con las propiedades ópticas no lineales en cristales líquidos, por ejemplo, se está buscando grabar hologramas con láseres de baja potencia (apuntadores) para hacerlos más accesibles al público en general o para visualizar objetos transparentes mediante una técnica conocida como microscopia de fase no lineal.
Finalmente, queremos remarcar que a pesar de que los cristales líquidos son conocidos y han sido estudiados desde hace más de cien años, aún queda mucho camino por recorrer para entender su física y su química. Y han mostrado tener grandes posibilidades en investigación científica básica. Recientemente se han utilizado cristales líquidos colestéricos para reducir la velocidad de la luz en ese medio a tan solo unos cuantos metros por segundo!. Esto daría paso a aplicaciones de luz lenta que podrían revolucionar las telecomunicaciones. También se han descubierto nuevas formas de ordenamiento molecular en los cristales líquidos que funcionan como cristales fotónicos cuyas implicaciones tecnológicas ni siquiera se han analizado. Así que aún tienen un futuro brillante por delante, aunque no en la industria de los displays.
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