cristal líquido liotrópico

Los cristales líquidos liotrópicos se forman cuando los anfifílicos , que son tanto hidrofóbicos como hidrofílicos , se disuelven en una solución que se comporta como un líquido y un cristal sólido . Esta mesofase cristalina líquida incluye mezclas cotidianas como el jabón y el agua. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

El término liotrópico proviene del griego antiguo λύω (lúō), que significa " disolver ", y τροπικός (tropikós), que significa " cambiar " . Históricamente, el término se utilizaba para describir el comportamiento común de los materiales compuestos por moléculas anfifílicas al añadirles un disolvente . Dichas moléculas constan de un grupo hidrofílico (literalmente, "amante del agua") (que puede ser iónico o no iónico) unido a un grupo hidrofóbico (que "odia el agua").  

La segregación de microfases de dos componentes incompatibles a escala nanométrica da lugar a diferentes tipos de disposición anisotrópica extendida inducida por el disolvente ^{[ 3 ]} , dependiendo de los equilibrios de volumen entre la parte hidrofílica y la hidrofóbica. A su vez, generan el orden de largo alcance de las fases, con las moléculas del disolvente llenando el espacio alrededor de los compuestos para proporcionar fluidez al sistema. ^{[ 4 ]}

A diferencia de los cristales líquidos termotrópicos , los cristales líquidos liotrópicos poseen un grado de libertad adicional: la concentración, que les permite inducir diversas fases. Al aumentar la concentración de moléculas anfifílicas, se forman en solución diferentes tipos de estructuras de cristal líquido liotrópico. Cada uno de estos tipos presenta un grado distinto de ordenamiento molecular dentro de la matriz del disolvente, desde micelas esféricas hasta cilindros de mayor tamaño, cilindros alineados e incluso agregados bicapa y multicapa. ^{[ 5 ]}

Ejemplos de compuestos anfifílicos son las sales de ácidos grasos y los fosfolípidos . Muchos anfifílicos simples se utilizan como detergentes . Una mezcla de jabón y agua es un ejemplo cotidiano de cristal líquido liotrópico.

Las estructuras biológicas, como las proteínas fibrosas que muestran "bloques" hidrofóbicos e hidrofílicos de aminoácidos relativamente largos y bien definidos , también pueden mostrar un comportamiento de cristal líquido liotrópico. ^{[ 6 ]}

Un surfactante flexible anfifílico típico puede formar agregados mediante un proceso de autoensamblaje que resulta de interacciones específicas entre las moléculas del mesógeno anfifílico y las del disolvente no mesogénico.

En medios acuosos, la fuerza impulsora de la agregación es el " efecto hidrofóbico ". Los agregados formados por moléculas anfifílicas se caracterizan por estructuras en las que los grupos de cabeza hidrofílicos exponen su superficie a la solución acuosa, protegiendo las cadenas hidrofóbicas del contacto con el agua.

En la mayoría de los sistemas liotrópicos, la agregación ocurre solo cuando la concentración del anfifílico supera una concentración crítica (conocida indistintamente como concentración micelar crítica (CMC) o concentración crítica de agregación (CAC) ).

A concentraciones muy bajas de anfifilos, las moléculas se dispersan aleatoriamente sin ningún ordenamiento. A concentraciones ligeramente superiores (aunque aún bajas), por encima de la CMC, los agregados de anfifilos autoensamblados existen como entidades independientes en equilibrio con los anfifilos monoméricos en solución, pero sin un orden orientacional o posicional (traslacional) de largo alcance. Como resultado, las fases son isotrópicas (es decir, no cristalinas líquidas). Estas dispersiones se conocen generalmente como « soluciones micelares », a menudo representadas por el símbolo L1 _, mientras que los agregados esféricos constituyentes se conocen como « micelas ».

A mayor concentración, los agregados se ordenarán. Las verdaderas fases cristalinas líquidas liotrópicas se forman cuando la concentración de anfifílico en agua aumenta más allá del punto en que los agregados micelares se ven obligados a disponerse regularmente en el espacio. Para los anfifílicos que consisten en una sola cadena de hidrocarburo, la concentración a la que se forman las primeras fases cristalinas líquidas suele estar en el rango del 25 al 30 % en peso.

La fase cristalina líquida más simple formada por micelas esféricas es la " cúbica micelar ", denotada por el símbolo I ₁ . Esta es una fase altamente viscosa y ópticamente isótropa en la que las micelas se disponen en una red cúbica. Antes de convertirse en cristales líquidos macroscópicos , se forman tactoides , que son microdominios de cristal líquido en una fase isótropa. A concentraciones más altas de anfifílico, las micelas se fusionan para formar agregados cilíndricos de longitud indefinida, y estos cilindros se disponen en una red hexagonal de largo alcance. Esta fase cristalina líquida liotrópica se conoce como la " fase hexagonal ", o más específicamente la fase hexagonal de " topología normal ", y generalmente se denota por el símbolo H _I .

A concentraciones más elevadas de anfifílico se forma la fase lamelar . Esta fase se designa con el símbolo Lα _y puede considerarse el equivalente liotrópico de una mesofase esméctica A. ^{[ 1 ]} Esta fase consiste en moléculas anfifílicas dispuestas en bicapas separadas por capas de agua. Cada bicapa es un prototipo de la disposición de los lípidos en las membranas celulares.

En la mayoría de los anfifílicos que constan de una sola cadena de hidrocarburos, se forman una o más fases con arquitecturas complejas a concentraciones intermedias entre las necesarias para formar una fase hexagonal y las que dan lugar a la formación de una fase lamelar. A menudo, esta fase intermedia es una fase cúbica bicontinua .

Al aumentar la concentración de anfifilos más allá del punto donde se forman las fases lamelares, se produce la formación de fases liotrópicas de topología inversa , a saber, las fases cúbicas inversas, la fase columnar hexagonal inversa (columnas de agua encapsuladas por anfifilos, (H _II )) y la fase cúbica micelar inversa (una muestra de cristal líquido a granel con cavidades de agua esféricas). En la práctica, las fases de topología inversa se forman más fácilmente con anfifilos que tienen al menos dos cadenas de hidrocarburos unidas a un grupo de cabeza. Los fosfolípidos más abundantes que se encuentran en las membranas celulares de las células de mamíferos son ejemplos de anfifilos que forman fácilmente fases liotrópicas de topología inversa.

Incluso dentro de las mismas fases, las estructuras autoensambladas pueden ajustarse mediante la concentración: por ejemplo, en las fases lamelares, las distancias entre capas aumentan con el volumen del disolvente. Dado que los cristales líquidos liotrópicos dependen de un delicado equilibrio de interacciones intermoleculares, resulta más difícil analizar sus estructuras y propiedades que las de los cristales líquidos termotrópicos.

Los objetos creados por los anfifílicos suelen ser esféricos (como en el caso de las micelas), pero también pueden tener forma de disco (bicelas), de varilla o biaxiales (con los tres ejes de la micela distintos). Estas nanoestructuras autoensambladas anisotrópicas pueden ordenarse de forma muy similar a como lo hacen los cristales líquidos termotrópicos, formando versiones a gran escala de todas las fases termotrópicas (como una fase nemática de micelas en forma de varilla).

Es posible que determinadas moléculas se disuelvan en mesofases liotrópicas, donde pueden ubicarse principalmente dentro, fuera o en la superficie de los agregados.

Algunas de estas moléculas actúan como dopantes, induciendo propiedades específicas a toda la fase; otras pueden considerarse simples huéspedes con un efecto limitado en el entorno circundante, pero con posibles consecuencias importantes en sus propiedades fisicoquímicas; y algunas se utilizan como sondas para detectar propiedades a nivel molecular de toda la mesofase en técnicas analíticas específicas. ^{[ 7 ]}

Científicos del Instituto Coreano de Ciencia y Tecnología (KIST) utilizaron la texturización superficial asistida por cristal líquido liotrópico (LAST) para desarrollar un cable conductor de nanotubos de carbono (CNT) que no utiliza metal. Los cables eléctricos compuestos de núcleo y cubierta flexibles resultantes (CSCEC) conducen electricidad y son mucho más ligeros que los cables convencionales. Cada cable incluye un núcleo conductor de aproximadamente 256 μm con una cubierta de 10 μm. Se ha utilizado para reemplazar todo el cobre en un prototipo de motor eléctrico. ^{[ 17 ]}

• Laughlin RG (1996). El comportamiento de los tensioactivos en fase acuosa . Londres: Academic Press . ISBN 0-12-437760-2.
• Fennell Evans D. y Wennerström H. (1999). El dominio coloidal . Nueva York: Wiley VCH . ISBN 0-471-24247-0.