miniatura|Un gel de fase cúbica altament viscós fet de polisorbat 80, aigua i parafina líquida . miniatura|La fase laminar i la fase hexagonal d'un cristall líquid liotròpic Els cristalls líquids liotròpics es formen quan els amfífils, que són hidròfobs i hidròfils alhora, es dissolen en una solució que es comporta com un cristall líquid i sòlid. Aquesta mesofase cristal·lina líquida inclou mescles quotidianes com el sabó i l'aigua.
El terme lyotropic prové del grec antic λύω (lúō). Històricament, el terme s'utilitzava per descriure el comportament comú dels materials compostos per molècules amfifíliques en afegir-hi un dissolvent. Aquestes molècules comprenen un grup principal hidròfil (literalment "amant l'aigua") (que pot ser iònic o no iònic) unit a un grup hidròfob (que "odia l'aigua").
La segregació en microfases de dos components incompatibles a escala nanomètrica resulta en diferents tipus d'ordenació anisotròpica estesa induïda per dissolvent, depenent dels balanços de volum entre la part hidròfila i la part hidròfoba. Al seu torn, generen l'ordre de llarg abast de les fases, amb les molècules de dissolvent omplint l'espai al voltant dels compostos per proporcionar fluïdesa al sistema.
A diferència dels cristalls líquids termotròpics, els cristalls líquids liotròpics tenen, per tant, un grau de llibertat addicional, és a dir, la concentració que els permet induir una varietat de fases diferents. A mesura que augmenta la concentració de molècules amfifíliques, es produeixen diversos tipus diferents d'estructures de cristalls líquids liotròpics en solució. Cadascun d'aquests diferents tipus té un grau diferent d'ordenació molecular dins de la matriu del dissolvent, des de micel·les esfèriques fins a cilindres més grans, cilindres alineats i fins i tot agregats bicapa i de paret múltiple. miniatura|Els polímers de cristall líquid poden transformar-se de líquid a cristall líquid amb l'augment de la fracció volumètrica.
Tipus Exemples de compostos amfifílics són les sals d'àcids grassos, els fosfolípids. Molts amfifílics simples s'utilitzen com a detergents. Una barreja de sabó i aigua és un exemple quotidià d'un cristall líquid liotròpic.
Les estructures biològiques com les proteïnes fibroses que mostren "blocs" d'aminoàcids hidròfobs i hidròfils relativament llargs i ben definits també poden mostrar un comportament cristal·lí líquid liotròpic.
Autoassemblatge amfifílic Un tensioactiu flexible amfifílic típic pot formar agregats mitjançant un procés d'autoacoblament que resulta d'interaccions específiques entre les molècules del mesògen amfifílic i les del dissolvent no mesogènic.
En medis aquosos, la força impulsora de l'agregació és l'"efecte hidrofòbic". Els agregats formats per molècules amfifíliques es caracteritzen per estructures en què els grups hidròfils del cap exposen la seva superfície a una solució aquosa, protegint les cadenes hidrofòbiques del contacte amb l'aigua.
Per a la majoria de sistemes liotròpics, l'agregació només es produeix quan la concentració de l'amfífil supera una concentració crítica (coneguda com a concentració micel·lar crítica (CMC) o concentració d'agregació crítica (CAC)).
A concentracions d'amfífils molt baixes, les molècules es dispersaran aleatòriament sense cap ordre. A concentracions lleugerament més altes (però encara baixes), per sobre de la CMC, els agregats d'amfífils autoassemblats existeixen com a entitats independents en equilibri amb els amfífils monomèrics en solució, però sense un ordre orientacional o posicional (translacional) de llarg abast. Com a resultat, les fases són isòtropes (és a dir, no cristal·lines líquides). Aquestes dispersions es coneixen generalment com a "solucions micel·lars", sovint denotades pel símbol L1, mentre que els agregats esfèrics constituents es coneixen com a "micel·les".
A concentracions més altes, els conjunts s'ordenaran. Les fases cristal·lines líquides liotròpiques veritables es formen a mesura que la concentració d'amfífil a l'aigua augmenta més enllà del punt on els agregats micel·lars es veuen obligats a disposar-se regularment a l'espai. Per als amfífils que consisteixen en una sola cadena d'hidrocarburs, la concentració a la qual es formen les primeres fases cristal·lines líquides sol estar en el rang del 25 al 30% en pes.
Fases i composició/temperatura La fase cristal·lina líquida més simple que formen les micel·les esfèriques és la "cúbica micel·lar", denotada pel símbol I₁. Es tracta d'una fase altament viscosa i òpticament isotròpica en què les micel·les estan disposades en una xarxa cúbica. Abans de convertir-se en cristalls líquids macroscòpics, es formen tactoides, que són microdominis de cristall líquid en una fase isotròfica. A concentracions amfífiles més altes, les micel·les es fusionen per formar agregats cilíndrics de longitud indefinida, i aquests cilindres estan disposats en una xarxa hexagonal de llarg abast. Aquesta fase cristal·lina líquida liotròpica es coneix com a "fase hexagonal", o més concretament la fase hexagonal de "topologia normal", i generalment es denota amb el símbol H₁ .
A concentracions més altes d'amfífil es forma la "fase laminar". Aquesta fase es denota amb el símbol L α i es pot considerar l'equivalent liotròpic d'una mesofase esmèctica A. Aquesta fase consisteix en molècules amfífiles disposades en làmines de bicapa separades per capes d'aigua. Cada bicapa és un prototip de la disposició dels lípids a les membranes cel·lulars.
Per a la majoria d'amfífils que consisteixen en una sola cadena d'hidrocarburs, es formen una o més fases amb arquitectures complexes a concentracions intermèdies entre les necessàries per formar una fase hexagonal i les que condueixen a la formació d'una fase laminar. Sovint, aquesta fase intermèdia és una fase cúbica bicontínua.
Augmentar la concentració d'amfífils més enllà del punt on es formen les fases laminars conduiria a la formació de fases liotròpiques de topologia inversa, és a dir, les fases cúbiques inverses, la fase columnar hexagonal inversa (columnes d'aigua encapsulades per amfífils, (HII)) i la fase cúbica micel·lar inversa (una mostra de cristall líquid a granel amb cavitats d'aigua esfèriques). A la pràctica, les fases de topologia inversa es formen més fàcilment per amfífils que tenen almenys dues cadenes d'hidrocarburs unides a un grup principal. Els fosfolípids més abundants que es troben a les membranes cel·lulars de les cèl·lules dels mamífers són exemples d'amfífils que formen fàcilment fases liotròpiques de topologia inversa.
Fins i tot dins de les mateixes fases, les estructures autoassemblades són ajustables per la concentració: per exemple, en fases laminars, les distàncies de les capes augmenten amb el volum de dissolvent. Com que els cristalls líquids liotròpics es basen en un equilibri subtil d'interaccions intermoleculars, és més difícil analitzar les seves estructures i propietats que les dels cristalls líquids termotròpics.
Els objectes creats pels amfífils solen ser esfèrics (com en el cas de les micel·les), però també poden ser en forma de disc (bicel·les), en forma de vareta o biaxials (els tres eixos de les micel·les són diferents). Aquestes nanoestructures anisotròpiques autoassemblades poden ordenar-se de la mateixa manera que ho fan els cristalls líquids termotròpics, formant versions a gran escala de totes les fases termotròpiques (com ara una fase nemàtica de micel·les en forma de vareta).
Molècules hostes És possible que molècules específiques es dissolguin en mesofases liotròpiques, on es poden localitzar principalment a l'interior, a l'exterior o a la superfície dels agregats.
Algunes d'aquestes molècules actuen com a dopants, induint propietats específiques a tota la fase, altres es poden considerar simples hostes amb un efecte limitat sobre l'entorn circumdant però possiblement amb fortes conseqüències sobre les seves propietats fisicoquímiques, i algunes d'elles s'utilitzen com a sonda per detectar propietats a nivell molecular de tota la mesofase en tècniques analítiques específiques.
Macromolècules en forma de bastonet El terme liotròpic també s'ha aplicat a les fases cristal·lines líquides que es formen per certs materials polimèrics, en particular els que consisteixen en macromolècules rígides en forma de vareta, quan es barregen amb dissolvents adequats. Exemples d'això són suspensions de virus en forma de vareta com el virus del mosaic del tabac, així com macromolècules sintètiques, com ara el nanofil de Li2Mo6Se6 o suspensions col·loïdals de partícules col·loïdals no esfèriques. Els derivats de cel·lulosa i cel·lulosa formen fases de cristall líquid liotròpiques, igual que les suspensions nanocristal·lines (nanocel·lulosa) Altres exemples inclouen l'ADN i el Kevlar, que es dissolen en àcid sulfúric per donar una fase liotròpica. Cal destacar que en aquests casos el dissolvent actua per reduir el punt de fusió dels materials, permetent així que les fases cristal·lines líquides siguin accessibles. Aquestes fases cristal·lines líquides tenen una arquitectura més propera a les fases cristal·lines líquides termotròpiques que a les fases liotròpiques convencionals. A diferència del comportament de les molècules amfifíliques, el comportament liotròpic de les molècules en forma de vareta no implica autoacoblament.
Macromolècules/nanocapes en forma de disc També es poden generar exemples de cristalls líquids liotròpics utilitzant nanocapes 2D. L'exemple més sorprenent d'una veritable fase nemàtica s'ha demostrat per a moltes argiles esmectites. La qüestió de l'existència d'aquesta fase liotròpica va ser plantejada per Langmuir el 1938, però va romandre una qüestió oberta durant molt de temps i només es va confirmar recentment. Amb el ràpid desenvolupament de les nanociències i la síntesi de moltes noves nanopartícules 2D anisotròpiques, el nombre d'aquesta mesofase nemàtica basada en nanocapes 2D ha augmentat ràpidament, amb, per exemple, suspensions col·loïdals d'òxid de grafè. Cal destacar que fins i tot es va descobrir una fase laminar, H3Sb3P2O14, que presenta una hiperinflamació de fins a ~250 nm per a la distància interlaminar.
Aplicacions Científics de l'Institut Coreà de Ciència i Tecnologia (KIST) van utilitzar la texturació superficial assistida per cristalls líquids liotròpics (LAST) per desenvolupar un cable de nanotubs de carboni conductors (CNT) que no utilitza metall. Els cables elèctrics compostos de nucli i funda flexibles (CSCEC) resultants condueixen l'electricitat i són molt més lleugers que els cables convencionals. Cada cable inclou un nucli conductor d'uns 256 μm amb una funda de 10 μm. S'ha utilitzat per substituir tot el coure d'un prototip de motor elèctric.
Referències
Categoria:Cristall líquid