Dr Daniel Salgado, Grupo de Ciencia e Ingeniería Computacionales, Investigador por México del CONAHCYT adscrito al Centro Nacional de Supercómputo, IPICYT. Q. María Fernanda Ruiz Villegas, Difusión y Vinculación Académica, Grupo de Ciencia e Ingeniería Computacionales adscrita al Centro Nacional de Supercómputo, IPICYT.
Conforme crecemos, vamos aprendiendo sobre los estados básicos de la materia: sólido, líquido y gas. Nuestra experiencia diaria nos hace convivir mucho con ellos y eso nos ha llevado a desarrollar cierta intuición sobre su comportamiento. Con el agua, por ejemplo, sabemos que a temperatura ambiente la encontramos como líquido, y que el líquido fluye por lo que podemos verterlo de una jarra a un vaso. En la cocina vemos continuamente cómo al calentarla lo suficiente se evapora formando un gas; es mejor alejar la cara al espiar la olla con agua hirviendo, porque, al abrir la tapa, el vapor de agua se expande y puede quemarnos. Esta fase también fluye y podemos ver al blanco vapor de agua describiendo movimientos curiosos cuando sopla aire y lo empuja. Sabemos también que, al enfriarla lo suficiente y congelarla, la encontramos en fase sólida donde podemos contenerla en bloques rígidos que usamos para enfriar bebidas, entre muchas otras cosas.
También convivimos con otros materiales que se encuentran en fases distintas a estas tres, y quizás no somos tan conscientes de nuestra interacción con ellas. La fase líquido cristalina, por ejemplo, es una fase que es posible encontrar en materiales dentro de las pantallas de dispositivos electrónicos. Como su nombre lo indica, esta fase es parecida a la líquida, pero no es exactamente igual. La diferencia entre estas dos fases puede entenderse al echar un vistazo al interior de los materiales.
Todos los materiales que vemos a nuestro alrededor están formados, a una escala muy pequeña, por distintos bloques de construcción. Tomemos de nuevo al agua como ejemplo, ella está formada por moléculas (bloques) que tienen forma de cabezas de Mickey Mouse. Estas moléculas tienen un átomo de oxígeno (cabeza de Mickey), y dos átomos de hidrógeno (sus orejas). Dependiendo de la fase en la que se encuentre el agua, sus bloques se ordenan de distinta forma. En el vapor de agua, las piezas tienen mucha energía térmica (debida al calor), así que se mueven en todas direcciones. Tienen tanta energía en su movimiento que, aunque hay una atracción entre las moléculas, esta no es suficiente para mantenerlas juntas y el vapor se expande. A medida que la temperatura baja y el agua se convierte en líquido, las cabezas de Mickey todavía están en movimiento, pero ahora es claro que quieren estar cerca unas de otras. Aunque siguen moviéndose y están desordenadas, ahora se mantienen unidas en grupo y no se expanden como lo hacen en el vapor, por eso el líquido fluye. Cuando el agua se enfría aún más y se convierte en hielo, las piezas ya no tienen tanta energía. En este punto, la atracción entre las piezas es mucho más fuerte que su energía de movimiento. Por lo que se atraen unas a otras sin dejar que sus vecinas escapen, y se colocan en posiciones fijas manteniéndose ordenadas una al lado de la otra, por eso el hielo no fluye.
Un cristal líquido, o un material que presenta una fase líquido cristalina está compuesto por bloques que tienen formas no esféricas, las cuales resultan claves para entender su comportamiento. Una de las formas que estas moléculas pueden tener es parecida a un rodillo o una vara muy alargada. Estas moléculas sienten una fuerte atracción entre sí cuando están alineadas en paralelo, por lo que constantemente buscan organizarse de esa manera. Si el material se encuentra como un gas, esta atracción no es relevante porque la energía térmica las mantiene separadas (como el vapor de agua). Pero esta atracción sí que resulta importante cuando la energía térmica de las moléculas es similar a la energía de atracción, como sucede en un líquido. En este caso, las moléculas que conforman el cristal líquido se comportan un poco como un líquido común, ya que la energía térmica impide que las moléculas permanezcan inmóviles, lo que a su vez permite que el material fluya con facilidad. Sin embargo, aun cuando las moléculas se mueven fácilmente, continuamente buscan orientarse y mantenerse paralelas entre sí. Así que, aunque estas moléculas no están en posiciones fijas, se orientan en una dirección particular debido a la atracción entre ellas. Este comportamiento microscópico tiene repercusiones en su comportamiento macroscópico, es decir, en lo que nosotros podemos observar a simple vista.
Los cristales líquidos se conocen desde hace mucho tiempo. Friedrich Reinitzer, un botánico austriaco, reportó en 1888 que al aumentar la temperatura del benzoato de colesterilo, observaba dos puntos de fusión: Reinitzer documentó que, al aumentar la temperatura de una muestra sólida de este material, obtenía un líquido turbio, y al seguir aumentando la temperatura, se obtenía otro líquido (el líquido cambiaba), ahora este era claro y transparente. Es decir, al calentar un sólido podía obtener dos tipos de líquidos. Uno de ellos, el que Reinitzer describió como turbio, es lo que ahora conocemos como cristal líquido. Esta fase, intermedia entre sólida y líquida, se veía turbia por la forma en que interactúan sus moléculas con la luz, pues presenta lo que se conoce como anisotropía óptica. Esto significa que la forma en que la luz interactúa con el material, va a depender de la dirección en la que llegue la luz. En particular, si esta viaja en la misma dirección en la que apuntan las moléculas similares a un rodillo, se comporta como un líquido convencional, pero si apunta en la dirección perpendicular a la orientación que tienen las moléculas, este comportamiento cambia. Es precisamente esta característica la que se utiliza en las pantallas de cristal líquido. Dentro de la pantalla, podemos imaginar 3 capas planas que son importantes para su funcionamiento. Una primera capa al fondo de la pantalla emite luz. Una siguiente capa intermedia contiene muchos bloques de moléculas de un cristal líquido. Estas moléculas pueden orientarse de distintas formas al interactuar con un campo eléctrico. Al cambiar su orientación, cambia su comportamiento. Así que se usa un campo eléctrico para bloquear o permitir el paso de la luz de fondo. Esto permite generar un patrón de luces y sombras que forman una imagen. Como las imágenes que se forman con la técnica de bordado de punto de cruz. A los puntos de cruz en las pantallas se les llaman píxeles. Finalmente, la pantalla tiene una última capa que protege al resto de los componentes dentro de ella.
En los años recientes, las pantallas de cristales líquidos han empezado a dar paso a otro tipo de tecnologías que mejoran la calidad de la imagen al mismo tiempo que reducen el grosor de las pantallas. Sin embargo, el potencial que muestran los cristales líquidos de manipular las propiedades de los materiales al modificar la orientación de las moléculas que los componen, sigue siendo altamente atractivo. Esto, por ejemplo, se busca utilizarlo para generar detectores de sustancias de bajo costo, en donde los cristales líquidos cambien sus propiedades ópticas cuando una sustancia no deseada perturba la orientación de estos materiales. O bien en materiales que se orienten y permitan el transporte de electricidad en la misma dirección en la que se orientan las partículas.
Dentro del Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica AC (IPICYT), utilizamos a la supercomputadora del Centro Nacional de Supercómputo (CNS) para simular cómo se comportan los cristales líquidos cuando están confinados por diversas superficies. Esto ampliará nuestra comprensión sobre ellos y guiará el diseño de los nuevos dispositivos flexibles.
En el Grupo de Ciencia e Ingeniería Computacionales del Centro Nacional De Supercómputo del Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica, nos dedicamos a la investigación y al desarrollo tecnológico en áreas de la Inteligencia Artificial y la Computación de Alto Rendimiento. Realizamos modelos y simulaciones de fenómenos complejos, mediante el uso de la infraestructura de Supercómputo con la que cuenta le CNS, aplicados en diversos campos de la física, la química, la biología, entre otras. Estos modelos y simulaciones ayudan a comprender mejor el funcionamiento de sistemas complejos. Hacemos el análisis de datos, haciendo uso de aprendizaje profundo e inteligencia artificial; esto nos permite extraer información significativa, identificar patrones y realizar predicciones a partir de los datos recopilados. Además, creamos entornos virtuales que simulan experimentos de laboratorio. Esto resulta especialmente útil en áreas donde los experimentos físicos son costosos, peligrosos o difíciles de realizar. Nuestro trabajo es multi e interdisciplinario lo cual nos permite impulsar la innovación tecnológica y contribuir al avance de las ciencias y las ingenierías en nuestro país.
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