Tradicionalmente, hemos considerado que la materia posee tres tipos de estado diferente: sólido, líquido y gas. Sin embargo, existen algunos estados de la materia que no cumplen con los requerimientos necesarios de alguna de esas tres categorías. Por ejemplo, sustancias como la mayonesa se encuentran en algún punto entre un sólido y un líquido.

Los cristales líquidos no son ni líquidos ni sólidos. Desde el punto de vista de sus propiedades físicas, se observa que, si bien fluyen como líquidos, poseen algunas propiedades de los sólidos cristalinos. Los cristales líquidos pueden considerarse como cristales que han perdido alguno o todo su orden respecto de las posiciones de las moléculas en el seno de la sustancia.

Cuando se calientan los cristales de algunos de estos compuestos, no pasan directamente al estado líquido. En lugar de ello, se transforman en un líquido nebuloso a una determinada temperatura (los líquidos son transparentes), y se transforman totalmente en líquido a una temperatura mayor. Las dos temperaturas se denominan temperaturas de transición. El fluido nebuloso es el cristal líquido. Para que quede más claro, la base espesa que se forma en el fondo de una jabonera es una fase de cristal líquido.

Los cambios entre el sólido, el cristal líquido y el líquido son reversibles:

En la temperatura inferior de transición existe un equilibrio entre el sólido y el cristal líquido. En la temperatura superior de transición existe un equilibrio entre el cristal líquido y el líquido. Cuando se enfría el fundido de una sustancia que forma cristales líquidos, se producen estos cristales, y después se solidifican.

Una molécula típica de cristal líquido es grande y alargada; un ejemplo puede ser el p-azoxianisol:

Esta forma alargada hace que las moléculas se amontonen como fideos crudos: se colocan en forma paralela, pero con libertad para deslizarse unas con respecto a las otras a lo largo de sus ejes. Los cristales líquidos son anisótropos por la manera que tienen de ordenarse. Los materiales anisótropos tienen propiedades que dependen de la dirección en que se miden. La viscosidad de los cristales líquidos es menor en la dirección paralela a las moléculas. Estas moléculas grandes y alargadas necesitan menos energía para deslizarse unas respecto de las otras a lo largo de sus ejes que para moverse lateralmente. Los materiales isótropos son materiales cuyas propiedades no dependen de la dirección en que se miden. Por ejemplo, los líquidos normales son isótropos: sus viscosidades son las mismas en cualquier dirección. Los cristales líquidos se convierten en líquidos isótropos cuando se calientan por encima de la temperatura de transición, ya que entonces las moléculas tienen la energía suficiente para superar las atracciones que restringen su movimiento.

Hay tres clases de cristales líquidos: los esmécticos, los nemáticos y los colestéricos. El arreglo de las moléculas en un sólido cristalino es ordenado en las tres dimensiones. Las moléculas tienen una posición fija y sólo pueden vibrar. Los cristales líquidos esmécticos son los que más se parecen a los cristales sólidos. En los esmécticos, las moléculas se alinean como soldados que desfilan, y forman capas. Dentro de las capas, las moléculas pueden estar perpendiculares al plano de la capa o ligeramente inclinadas. El arreglo de las moléculas en un cristal líquido esméctico es ordenado en dos dimensiones. Las moléculas se pueden mover respecto de una capa, de lado a lado o del frente hacia atrás y pueden girar. Las capas se mueven unas respecto de las otras. Las moléculas no pueden pasar de una capa a otra, ni pueden rotar.

Los cristales líquidos nemáticos son moléculas polarizables con forma de bastón de alrededor de 20 angstroms (10^-9 metros) de longitud. En ellos, las moléculas están paralelas pero no forman capas. Pueden girar, pero no tiene rotación. La disposición de las moléculas sólo es ordenada en una dirección. Las moléculas se pueden mover en las tres direcciones. Esta clase de cristales son los que más se asemejan a los líquidos. Podría hacerse una analogía con una gran cantidad de escarbadientes puesta en una caja rectangular y sometida a agitación. Al abrir la caja, todos los escarbadientes estarán orientados en la misma dirección pero no mostrarán una organización especial definida. Podrán moverse libremente, pero lo más probable es que estén alineados en la misma dirección. Este es un modelo muy simple del tipo de cristales líquidos llamados nemáticos.

Los cristales líquidos colestéricos están formados por capas, aunque cada capa está girada unos 15 grados respecto de las que hay arriba y debajo de ella; hay unas 24 capas entre las repeticiones.

Pantallas y termómetros de cristal líquido

La orientación de las moléculas en los cristales líquidos nemáticos cambia al aplicar un campo eléctrico; son las que utilizan para las pantallas planas. Estas pantallas se fabrican con varios diseños, pero la estructura que comentaremos aquí es representativa. Una capa delgada (de 5 a 20 µm) de cristal líquido se coloca entre dos electrodos de vidrio transparentes que conducen la electricidad. La luz ordinaria atraviesa un polarizador vertical que sólo permite el paso de luz en el plano vertical. Por un proceso especial, las moléculas de cristal líquido se orientan de manera que las moléculas junto a la capa frontal tengan una orientación vertical y aquellas junto a la placa trasera, una orientación horizontal. Las moléculas intermedias tienen orientación que varía en forma regular al plano de polarización de la luz, se gira 90 grados al pasar por el dispositivo y así adquiere la orientación correcta para atravesar el polarizador horizontal.

En un reloj digital o en una calculadora, un espejo refleja la luz, la cual vuelve atrás sobre sus pasos; esto hace que el dispositivo se vea claro, o iluminado. Cuando se aplica un voltaje a las placas, las moléculas se alinean con el voltaje. Esto hace que los rayos de luz no tengan la orientación apropiada para atravesar el polarizador horizontal y el dispositivo se vea oscuro. 

Las pantallas de los monitores planos utilizan iluminación desde atrás en lugar de luz reflejada, aunque el principio es el mismo. La pantalla se divide en un gran número de pequeñas celdas, y el voltaje en cada punto de la superficie de la pantalla se controla a través de transistores que se fabrican con películas delgadas de silicio amorfo. Se utilizan filtros de color rojo–verde-azul para la exhibición de colores. Toda la pantalla se renueva con una frecuencia aproximada de 60 Hz, por lo que la imagen puede cambiar con rapidez en comparación con el tiempo de respuesta del ojo humano. Las pantallas de este tipo son logros técnicos notables, basados en una combinación de descubrimientos científicos básicos e ingeniería creativa.


Los cristales líquidos colestéricos también son de interés porque poseen una estructura helicoidal que se relaja ligeramente a medida que cambia la temperatura. La torsión de la estructura helicoidal afecta las propiedades ópticas del cristal líquido, que cambian con la temperatura. Este efecto es utilizado en medicina en los termómetros de cristal líquido.

El futuro de los cristales líquidos

El futuro de los cristales líquidos es sumamente prometedor. Todavía quedan muchos problemas sin resolver en el área. Los requerimientos de las diversas aplicaciones de los distintos cristales líquidos llevaron a que a toda una rama de la ingeniería se especializara en este campo. Las estadísticas muestran que los dispositivos con tubos de rayos catódicos de los aparatos de televisión y monitores de computadora serán reemplazados en el futuro cercano por pantallas de cristal líquido. Más aplicaciones recientes involucran ventanas que se pueden cambiar de claras a opacas con sólo oprimir un botón, dispositivos con ángulos de visión más amplios y otros que pueden utilizarse durante años sin la necesidad de una fuente de poder.

Una idea reciente en la que se está trabajando actualmente es el papel electrónico. Este podría escribirse como cualquier papel normal, pero podría ser escrito nuevamente. Esta nueva forma de almacenamiento de datos sería muy conveniente porque no utiliza la iluminación posterior y, por lo tanto, consumiría menos energía y sería más benigna para la vista. Otro desarrollo reciente es la creación de un monitor que no consume energía (“monitores de energía cero”). Este tipo de monitores utilizan cristales líquidos nemáticos pero pueden retener una imagen sin consumir electricidad. A pesar de que se requiere energía eléctrica para actualizar la imagen, es una mejora con respecto a las pantallas actuales que requieren electricidad de manera constante, aunque más no sea para una imagen quieta. También se están desarrollando métodos para utilizar cristales líquidos para almacenar datos ópticos en las computadoras. Las distintas pruebas que se han realizado muestran que aproximadamente 2,5 cm2 de estos cristales líquidos pueden almacenar hasta 3 gigabites de información. Finalmente, se está utilizando cristal líquido para construir ventanas que pueden variar la cantidad de luz que dejan pasar con sólo apretar un botón.

El conocimiento dentro del campo de los cristales líquidos también es importante para una mayor comprensión de las membranas biológicas, por lo que biólogos, médicos y farmacéuticos también están interesados en las investigaciones acerca de este tipo de sustancias.