CIQA | Centro de Investigación en Química Aplicada - Algo más que un cristal sólido
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Algo más que un cristal sólido

Dra. Leticia Larios López y M.C. Rosa Julia Rodríguez González
Centro de Investigación en Química Aplicada. Saltillo, Coahuila.

Los cristales son estructuras organizadas tridimensionales complejas que de una manera simplificada podrían describirse como arreglos de átomos, iones o moléculas que están ordenados en el espacio de manera periódica y cuya distribución posee ciertas relaciones de simetría. Desde siglos atrás, el estudio de la geometría y la naturaleza de los cristales ha fascinado al ámbito científico y tecnológico debido a que muchos de estos materiales no solamente dispersan, reflejan y/o difractan la luz de manera única dando efectos visuales interesantes sino que también exhiben propiedades físicas, mecánicas, ópticas, térmicas, catalíticas, médicas, etc. únicas que dependen de sus hábitos de cristalización. Aunque el estado cristalino ha sido mayormente asociado con los minerales, existen también otros materiales de tamaño macromolecular como las proteínas y los polímeros semi-cristalinos que pueden presentar este estado físico de la materia. En el caso particular de los polímeros, el arreglo molecular cristalino tiene lugar a una escala mayor que la atómica, y corresponde al arreglo ordenado que resulta de la organización física de las cadenas poliméricas en el espacio. En estos sistemas, la celda unitaria es atravesada por dos o más de las cadenas poliméricas que constituyen el polímero; asimismo, por ser moléculas de enorme longitud usualmente atraviesan varias celdas unitarias. Visto a escalas mayores, el orden que se observa en los polímeros semi-cristalinos es en forma de laminillas que bajo ciertas condiciones de temperatura, presión y de procesamiento dan lugar a diversas morfologías macroscópicas de tipo esférico, de disco, de varilla, etc. Dentro de las técnicas utilizadas con mayor frecuencia en la caracterización de la morfología de un cristal polimérico destacan las microscopías óptica y electrónica así como la difracción de rayos X. Mediante estas técnicas es posible determinar los parámetros morfológicos del cristal como son el grosor de las laminillas y el empaquetamiento molecular al interior de dichas laminillas. Estas técnicas de análisis no solamente se utilizan para el estudio de los cristales poliméricos sólidos sino que existe un tipo especial de polímeros que exhiben orden cristalino en un estado líquido; a estos materiales se les denomina como polímeros líquido-cristalinos (LC). Es así que los polímeros LC mantienen cierta correlación de orden en orientación y en posición de la que se ha observado en los cristales sólidos pero a la vez fluyen como un líquido. En estos sistemas líquido-cristalinos, el acomodo de las moléculas se da en forma de capas (o láminas) que genera un plano de difracción con ángulos 2 de valores medios a bajos (menores a 6°). Además, la información que se obtiene en la región de ángulos altos (2=18-23°) es útil para determinar si hay algún arreglo molecular o no al interior de las capas. Estas características están relacionadas con la fluidez que estos materiales cristalinos puedan tener, lo que impactará sobre sus posibles aplicaciones. La unidad responsable de esta organización molecular es un grupo químico con forma de varilla, conocido como mesógeno, que puede ser parte de la cadena polimérica principal o bien, estar unido a ella mediante un grupo espaciador. De esta manera se pueden tener polímeros líquido-cristalinos de cadena principal (MCLCP), de cadena lateral (SCLCP) o una combinación de ambos. Por sus propiedades mecánicas y físicas, los polímeros MCLCP han sido usados como fibras de alta resistencia, reforzamiento de fibras ópticas, etc., mientras que los polímeros SCLCP encuentran su aplicación principalmente en dispositivos opto-electrónicos.
Por lo anterior, el diseño y la síntesis de nuevos polímeros líquido-cristalinos sigue siendo un tema interesante de actualidad, en donde se tiene la ventaja adicional de que el mesógeno por sí mismo puede ser un grupo emisor de luz o uno sensible a la luz (p.ej. azobenceno), con lo cual se pueden generar polímeros líquido-cristalinos luminiscentes o fotosensibles, respectivamente. Interesados en este tipo de materiales fotosensibles, en los últimos años, con el apoyo del CONACYT para el desarrollo de proyectos de ciencia básica hemos diseñado e implementado en los laboratorios del CIQA los métodos de síntesis adecuados para obtener diversos cristales líquidos moleculares y poliméricos de tipo azobenceno, con estructuras químicas variadas. Estos materiales resultan interesantes debido a que bajo un estímulo luminoso de características específicas pueden presentar un movimiento molecular tipo bisagra correspondiente a la isomerización reversible trans-cis-trans de las unidades azobenceno, así como el alineamiento molecular de estas unidades e incluso, el transporte de masa a una escala de micrómetros. Con el propósito de mejorar los tiempos de foto-respuesta y la magnitud de la orientación molecular foto-inducida de los polímeros LC fotosensibles, en los últimos años hemos seguido como estrategia la dispersión de nanoestructuras (partículas con al menos una de sus dimensiones midiendo de 1 a 100nm) en la matriz polimérica. Algunas de las nanoestructuras que hemos utilizado son los nanotubos o nanofibras de carbono y nanopartículas metálicas de oro, plata y bimetálicas de oro-plata. De esta manera hemos obtenido nanocompuestos a base de nanopartículas/polímero LC fotosensible en donde la foto-conversión trans-cis de los grupos azobenceno en el polímero LC se mejoró hasta en un 20% con tan solo 0.5% en peso de NP bimetálicas. Además, en otros estudios hemos podido establecer que las nanopartículas no solamente tienen efecto sobre la foto-respuesta de los polímeros LC fotosensibles sino que también modifican el grado de orden molecular y la temperatura a la cual este permanece. Aprovechando la capacidad de foto-alineamiento y de organización cristal líquido de los grupos mesógenos de los polímeros LC fotosensibles, actualmente estamos preparando sistemas de nanopartículas alineadas (superficie) para promover la formación de orden supramolecular de estructuras de dimensiones nanométricas; lo que impactaría de manera significativa muchas áreas como la nanoelectrónica, optoelectrónica y sensores moleculares, por mencionar algunas.



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