Υγρός κρύσταλλος

Θερμοτροπικοί υγροί κρύσταλλοι

Οι θερμοτροπικοί υγροί κρύσταλλοι είναι οι πιο μελετημένοι και ίσως οι καλύτερα κατανοητοί από όλους τους υγρούς κρυστάλλους. Οι θερμοτροπικοί υγροί κρύσταλλοι είναι αυτοί που χρησιμοποιούνται στις οθόνες υγρών κρυστάλλων (LCDs), στα ρολόγια χεριού, τους υπολογιστές και τις τηλεοράσεις. Οι χολεστερικοί υγροί κρύσταλλοι (υποκατηγορία των θερμοτροπικών υγρών κρυστάλλων) είναι ευαίσθητοι στη θερμοκρασία και χρησιμοποιούνται σε πολύ λεπτά θερμόμετρα και ταινίες που αλλάζουν χρώμα με την αλλαγή της προσδιοριζοντας με τεραστια ακριβεια την υπαρχουσα θερμοκρασία. Οι περισσότεροι θερμοτροπικοί υγροί κρύσταλλοι διαμορφώνονται από οργανικά μόρια με μορφή όπως μιας ράβδου ή μιας λεπτής σανίδας. Η πλειοψηφία των μορίων που έχουν υγροκρυσταλλικές μεσοφάσεις έχουν επίπεδους και άκαμπτους πυρήνες, που χαρακτηριστικά συμπεριλαμβάνουν δύο ή περισσότερους βενζολικούς δακτυλίους.

Λυοτροπικοί υγροί κρύσταλλοι

Μίγματα δύο ή περισσότερων συστατικών που αλλάζουν φάση με την αλλαγή της συγκέντρωσης καλούνται λυοτροπικά. Αν και οι ενώσεις που διαμορφώνουν τις θερμοτροπικές φάσεις είναι ασυνήθιστες, τα λυοτροπικά μίγματα είναι πολύ γνωστά. Το σαπούνι και το νερό είναι ένα από τα πρωταρχικά παραδείγματα ενός συστήματος δύο συστατικών με λυοτροπικές φάσεις. Τα μίγματα τριών ή περισσότερων συστατικών είναι επίσης γνωστά. Ένα παράδειγμα είναι η χρήση ενός γαλακτωματοποιητή για να αναμιχθεί το λάδι και το νερό ή το ξίδι μιας σάλτσας για σαλάτας. Αν και το νερό είναι ένα πολύ κοινό συστατικό λυοτροπικών υγρών κρυστάλλων, άλλοι διαλύτες μπορούν να χρησιμοποιηθούν το ίδιο καλά. Οι περισσότερες λυοτροπικές φάσεις περιλαμβάνουν την διάλυση ραβδόμορφων μορίων ή το σύνολο των μορίων σε έναν ισοτροπικό διαλύτη  .

Αμφιτροπικοί υγροί κρύσταλλοι

Υπάρχουν και οι λεγόμενοι αμφιτροπικοί υγροί κρύσταλλοι, στους οποίους η επίτευξη της υγροκρυσταλλικής κατάστασης στο διάλυμα μπορεί να γίνει και με τη μεταβολή της θερμοκρασίας και με την μεταβολή της συγκέντρωσης.

Ισότροπη φάση

Η ισότροπη φάση είναι παρόμοια με αυτή ενός απλού υγρού, δεν υπάρχει δηλαδή καμία συσχέτιση μεταξύ των μορίων όσον αφορά τον προσανατολισμό τους οι τις θέσεις του.

Νηματική φάση

Οι υγροί κρύσταλλοι με τη μεγαλύτερη μοριακή αταξία είναι οι νηματικοί. Στη νηματική φάση (nematic phase) τα μόρια εμφανίζουν τάξη ως προς τον προσανατολισμό τους με ευθυγράμμιση, κατά μέσο όρο, των κύριων μοριακών αξόνων κατά μήκος μίας προεξάρχουσας διεύθυνσης αλλά αταξία ως προς τις θέσεις τους. Η διεύθυνση αυτή ονομάζεται κατευθυντής (n, director). Η απλούστερη περίπτωση νηματικού υγρού κρυστάλλου, στην οποία και υπάγονται σχεδόν όλοι οι γνωστοί νηματικοί υγροί κρύσταλλοι, είναι εκείνη του μονοαξονικού απολικού νηματικού όπου η τάξη στον προσανατολισμό των μορίων έγκειται στην (στατιστική) προτίμηση ευθυγράμμισης του κύριου μοριακού άξονα (π.χ του άξονα μέγιστου μοριακού μήκους αν πρόκειται για ραβδόμορφα μόρια) κατά μήκος μίας προεξάρχουσας διεύθυνσης και επιπλέον όλες οι κάθετες με αυτόν διευθύνσεις θεωρούνται ισοδύναμες μεταξύ τους. Ο κατευθυντής n δηλαδή, αποτελεί σ’ αυτή την περίπτωση άξονα πλήρους περιστροφικής συμμετρίας του υγρού κρυστάλλου και είναι και ο μοναδικός τέτοιος άξονας.
Η ιδιότητα της απολικότητας χαρακτηρίζει την ισοδυναμία μεταξύ των διευθύνσεων n και –n του κατευθυντή. Με άλλα λόγια, ο κατευθυντής ενός απολικού νηματικού υγρού κρυστάλλου έχει καθορισμένη διεύθυνση στο χώρο αλλά όχι καθορισμένη φορά κατά μήκος αυτής της διεύθυνσης.
Οι φυσικές ιδιότητες ενός μονοαξονικού απολικού νηματικού υγρού κρυστάλλου παραμένουν αμετάβλητες αν περιστρέψουμε τον υγρό κρύσταλλο γύρω από τον κατευθυντή n ή αν τον αναστρέψουμε ως προς τον κατευθυντή (n → -n). Βεβαίως, οι φυσικές ιδιότητες του υλικού αυτού γενικά εξαρτώνται από τη διεύθυνση. Έτσι π.χ. η διάχυση, ή η ηλεκτρική αγωγιμότητα δεν είναι ίδιες κατά μήκος του n και κάθετα σ’ αυτό. Η διηλεκτρική σταθερά (ή η μαγνητική επιδεκτικότητα) έχει διαφορετική τιμή ανάλογα με το αν η διεύθυνση του ασκούμενου ηλεκτρικού (ή μαγνητικού, αντίστοιχα) πεδίου είναι παράλληλη ή κάθετη στο n. Ομοίως, ο δείκτης διάθλασης του φωτός διαφέρει ανάλογα με την διεύθυνση πόλωσης της δέσμης σε σχέση με τον κατευθυντή n.
Συνήθως, με το όρο «νηματικός» χωρίς άλλο προσδιορισμό εννοούμε τον μονοαξονικό απολικό νηματικό υγρό κρύσταλλο, αφού ελάχιστες είναι οι γνωστές περιπτώσεις διαξονικών νηματικών (δηλαδή νηματικών στους οποίους δεν υπάρχει πλήρης περιστροφική συμμετρία γύρω από τον n ) ενώ η δυνατότητα ύπαρξης πολικών νηματικών (δηλαδή νηματικών στους οποίους οι διευθύνσεις n και -n να είναι φυσικά διακριτές) δεν έχει αποδειχθεί πειραματικά και είναι, ακόμη και θεωρητικά, αμφισβητούμενη .

Κρυσταλλική στερεή φάση

Στη κρυσταλλική στερεή φάση μοριακές θέσεις και μοριακοί προσανατολισμοί είναι καθορισμένοι και σταθεροί.
Κρυσταλλικές φάσεις J και G
Οι κρυσταλλικές μετατροπές J και G είναι τα κρυσταλλικά ανάλογα των σμηκτικών φάσεων Ι και F, αντίστοιχα. Για παράδειγμα, στην φάση J τα μόρια τοποθετούνται σε στρώματα όπου οι μακριοί τους άξονες βρίσκονται σε κλίση σε σχέση με τα στρώματα των επιπέδων. Η βασική διαφορά ανάμεσα στην κρυσταλλική φάση J και στην κρυσταλλική φάση G είναι η ίδια με αυτή των σμηκτικών φάσεων Ι και F, δηλαδή, για την φάση G η κλίση κατευθύνεται προς την πλευρά της εξαγωνικής παράταξης των μορίων, ενώ στην J η κλίση κατευθύνεται προς την κορυφή της.
Ουσιαστικά, όσο εκτείνεται η διάταξη θέσης, αυτές οι φάσεις κρυσταλλώνονται. Ωστόσο, οι μοριακές δυναμικές αυτών των δύο μορφών είναι αρκετά διαφορετικές από αυτές που συνήθως παρατηρούνται στους κρυστάλλους. Για παράδειγμα, τα μόρια υφίστανται γρήγορο αναπροσανατολισμό κίνησης στους μεγάλους άξονες τους. Επιπλέον, πολλές εσωτερικές μοριακές περιστροφές λαμβάνουν χώρα την ίδια στιγμή. Οι γρήγοροι αναπροσανατολισμοί κίνησης των μεγάλων αξόνων των μορίων οδηγούν σε αυτές τις φάσεις που ονομάζονται ως ανισοτροπικοί πλαστικοί κρύσταλλοι.
Αυτές οι δύο φάσεις είναι ισοδύναμα της σμηκτικής φάσης Ε εκτός του ότι τα μόρια είναι επικλινή σε σχέση με τα επίπεδα της σμηκτικής φάσης. Παρόλο που δεν υπάρχουν αρκετά πειραματικά δεδομένα για αυτές τις φάσεις, υποθέτεται, ότι τα μόρια είναι τοποθετημένα σε στρώματα τα οποία έχουν μεγάλης εμβέλειας περιοδική διάταξη. Η μεσοστρωματική τους τάξη συσχετίζεται σε μεγάλες αποστάσεις, και έτσι δημιουργείται η κρυσταλλική δομή. Η διάταξη είναι μονοκλινής με την κλίση να κατευθύνεται προς την συντομότερη πλευρά της πλεγματικής διάταξης για την φάση Η, ενώ για την φάση Κ η κλίση κατευθύνεται προς την μακρύτερη πλευρά. Στις φάσεις αυτές τα μόρια φαίνεται ότι ταλαντώνονται, όπως και στην φάση Ε .

Κιονική φάση

Οι κιονικοί (Columnar) υγροί κρύσταλλοι παρουσιάζουν, επιπλέον της τάξης στις μοριακές διευθύνσεις την οποία παρουσιάζουν οι νηματικοί, και τάξη ως προς τις θέσεις σε δύο διαστάσεις. Στην κιονική φάση (columnar phase) τα μόρια σχηματίζουν ευθύγραμμες στήλες ενώ οι στήλες αυτές διατάσσονται περιοδικά και παράλληλα μεταξύ τους (αν και όχι με αυστηρό τρόπο) κατά το κάθετο των κιόνων επίπεδο, σχηματίζοντας μία δισδιάστατη δομή. Επιλέγοντας δηλαδή τον μακροσκοπικό άξονα Ζ να είναι παράλληλος προς την διεύθυνση των κιονικών αξόνων θα έχουμε τάξη των μοριακών θέσεων στο επίπεδο ΧΥ. Η τάξη αυτή αντιστοιχεί σε εξαγωνικό ή σε ορθογώνιο πλέγμα. Στην πρώτη περίπτωση έχουμε την εξαγωνική κιονική φάση (hexagonal columnar, Colₕ ) και στην δεύτερη την ορθογωνική κιονική (rectangular columnar, Colᵣ ).
Τα μόρια μπορούν να κινούνται χωρίς περιορισμούς κατά μήκος της διεύθυνσης των κιόνων. Η ρευστότητα των κιονικών ΥΚ οφείλεται στη δυνατότητα της σχετικής ολίσθησης μεταξύ γειτονικών στηλών. Δεν υπάρχει δηλαδή συσχέτιση μεταξύ των Ζ-προβολών των θέσεων μορίων που βρίσκονται σε διαφορετικές στήλες. Οι θέσεις των μορίων που ανήκουν στην ίδια στήλη μπορεί να παρουσιάζουν τάξη (περιοδικότητα στον Ζ άξονα) ή αταξία. Στη πρώτη περίπτωση έχουμε κίονες με εσωτερική τάξη και στην δεύτερη άτακτους κίονες. Ο συμβολισμός των αντίστοιχων φάσεων γίνεται με την προσθήκη του δείκτη ο (ordered) ή d (disordered) στο σύμβολο Col της κιονικής φάσης.
Η τάξη στον μοριακό προσανατολισμό περιγράφεται, όπως και στη περίπτωση των νηματικών και των σμηκτικών, από τον κατευθυντή n. Αυτός μπορεί να είναι παράλληλος προς τον κιονικό άξονα (n//Z) ή και να αποκλίνει από αυτόν κατά γωνία t. Στην δεύτερη περιπτωση έχουμε επικλινή κιονική φάση (tilted columnar) και αυτό υποδηλώνεται προσθέτοντας τον δείκτη t στον συμβολισμό της φάσης, δηλαδή Colₜₓₓ, όπου στις θέσεις xx μπορεί να σημειωθεί κάποιος από τους δείκτες o,d,h,r για να υποδηλωθεί η εσωτερική τάξη ή το είδος του 2-διάστατου πλέγματος. Όταν δεν υπάρχει ο δείκτης t εννοείται ότι η φάση έχει τον κατευθυντή παράλληλο στις στήλες. Στις επικλινείς κιονικές φάσεις, όπως και στις αντίστοιχες σμηκτικές, ο κατευθυντής μπορεί να έχει ενιαία διεύθυνση για όλες τις στήλες (συν-κλινής) ή και να εναλλάσσεται από στήλη σε στήλη (αντι-κλινής).
Οι κιονικοί ΥΚ δημιουργούνται κυρίως από δισκόμορφα μόρα. Γι’ αυτό και συχνά στην παλαιότερη βιβλιογραφία ονομάζονται δισκοτικοί (discotic) YK. Η ύπαρξη όμως κιονικών υγροκρυσταλλικών φάσεων που δεν αποτελούνται από δισκόμορφα μόρια (υπάρχουν παραδείγματα ακόμη και ραβδόμορφων μορίων που αυτό-οργανώνονται σε κιονικές φάσεις) επέβαλλε την χρήση του όρου «δισκοτικός» μόνο για τους ΥΚ που απαρτίζονται από δισκόμορφα μόρια, ασχέτως αν είναι κιονικοί ή όχι.

Η ασυμμετρία χειρομορφίας στους υγρούς κρυστάλλους

Οι χειρόμορφοι υγροί κρύσταλλοι (Chiral LCs) αποτελούνται από χειρόμορφα μόρια. Τα μόρια των οποίων οι καθρεφτισμένες εικόνες τους δεν είναι πανομοιότυπες θεωρούνται χειρόμορφα (την ίδια σχέση ασυμμετρίας έχει το δεξί με το αριστερό μας χέρι, απ’ όπου προέρχεται και η ορολογία «χειρομορφία»). Η χειρομορφία είναι μια απουσία συμμετρίας, και τα χειρόμορφα μόρια έχουν χαμηλότερη συμμετρία από τα μη-χειρόμορφα. Αφού οι καθρεφτισμένες εικόνες από τα γραμμικά ή τα επίπεδα μόρια μπορούν πάντα να είναι πανομοιότυπες, τα χειρόμορφα μόρια πρέπει απαραιτήτως να έχουν μια τρισδιάστατη δομή.
Τα χαρακτηριστικά χειρόμορφα μόρια έχουν μια ελικοειδή μορφή ή έχουν ένα ή περισσότερα κέντρα χειρομορφίας που αποτελούνται από ένα άτομο άνθρακα με τέσσερις ευδιάκριτες μονάδες που συνδέονται με τα τετραεδρικά άκρα του. Η χειρομορφία αυξάνει τις δυνάμεις μεταξύ των μορίων, πράγμα το οποίο ευνοεί το σχετικό στρίψιμο των μοριακών αξόνων τους .
Στους χειρόμορφους υγρούς κρυστάλλους δίνεται συνήθως ο συμβολισμός «*» για να υποδειχθεί η παρουσία χειρομορφίας, παραδείγματος χάριν: N*, SmA*, SmC* .

Καλαμιτικοί και δισκοτικοί υγροί κρύσταλλοι

Τα ραβδόμορφα και τα δισκόμορφα μόρια αντιπροσωπεύουν τους απλούστερους τύπους μοριακής ανισομετρίας που μπορεί να οδηγήσει σε υγροκρυσταλλικότητα. Όπως αναφέρθηκε, οι υγροί κρύσταλλοι που προκύπτουν από μόρια τέτοιας δομής ονομάζονται, αντίστοιχα, καλαμιτικοί και δισκοτικοί υγροί κρύσταλλοι. Και τα δύο είδη μπορούν να δώσουν νηματικές φάσεις ενώ οι σμηκτικές φάσεις είναι συνήθως καλαμιτικές (δηλαδή παράγονται συνήθως από ραβδόμορφα μόρια) και οι κιονικές είναι συνήθως δισκοτικές (δηλαδή παράγονται συνήθως από δισκόμορφα μόρια). Φυσικά, τα μόρια στη πραγματικότητα δεν έχουν τέτοια ιδανική δομή και οι χαρακτηρισμοί «ραβδόμορφο» ή «δισκόμορφο» απλώς υποδηλώνουν ότι η μία διάσταση του μορίου είναι αρκετά μεγαλύτερη ή μικρότερη από τις άλλες δύο (οι οποίες δεν διαφέρουν πολύ μεταξύ τους).

Υγροί κρύσταλλοι τύπου μπανάνας (banana LCs)

Οι υγροί κρύσταλλοι αυτοί, επικράτησε να λέγονται έτσι επειδή το σχήμα του μεσογόνου πυρήνα μοιάζει με μπανάνα (ή λυγισμένη ράβδο ή τόξο ή μπούμεραγκ, απ’ όπου και προέρχονται οι εναλλακτικές ονομασίες bent-core, bow-shaped, boomerang κλπ που χρησιμοποιούνται γι’ αυτούς τους υγρούς κρυστάλλους). Απέκτησαν έντονο ενδιαφέρον από το 1996 και μετά, επειδή μπορούν να δώσουν σμηκτικές φάσεις των οποίων οι στοιβάδες έχουν αυθόρμητη ηλεκτρική πόλωση P χωρίς να είναι ανάγκη τα μόρια να είναι χειρόμορφα. Η πόλωση αυτή είναι αποτέλεσμα της πολικής διάταξης που ευνοείται από το τοξοειδές μοριακό σχήμα. Έτσι είναι δυνατή, π.χ., η εμφάνιση πολικότητας ακόμα και στην SmA φάση κάποιων μπανάνα-υγρών κρυστάλλων. Οι φάσεις αυτές είναι διαξονικές, αφού παύει να υπάρχει συμμετρία περιστροφής γύρω από τον άξονα τον κάθετο στα σμηκτικά επίπεδα. Πρόσφατα ανακοινώθηκε και η παρατήρηση διαξονικής νηματικής φάσης σε μπανάνα-υγρό κρύσταλλο (που αποτελεί και την πρώτη πειραματική παρατήρηση τέτοιας φάσης σε θερμοτροπικό υγρό κρύσταλλο).

Πυραμιδικοί υγροί κρύσταλλοι (pyramidical LCs)

Παράγονται από μόρια των οποίων η δομή μοιάζει με πυραμίδα (ή βαθύ πιάτο, bowl, απ’ όπου και προέρχεται η ονομασία bowlic, που χρησιμοποιείται εναλλακτικά για τους πυραμιδικούς υγρούς κρυστάλλους). Οι πυραμιδικοί υγροί κρύσταλλοι συνήθως σχηματίζουν κιονικές φάσεις στις οποίες οι στήλες είναι δυνατό να παρουσιάσουν αυθόρμητη ηλεκτρική πόλωση κατά μήκος του κιονικού άξονα.

Σανιδικοί υγροί κρύσταλλοι (sanidic LCs)

Παράγονται από μόρια των οποίων η δομή μοιάζει με σανίδα, δηλαδή η μια μοριακή διάσταση είναι πολύ μεγαλύτερη από τις άλλες δύο, οι οποίες όμως διαφέρουν σημαντικά μεταξύ τους. Πρόκειται συνήθως για σχετικά μεγάλα μόρια που σχηματίζουν νηματικές ή σμηκτικές φάσεις με δυνατότητα διαξονικής τάξης των μορίων.

Πολυμερικοί υγροί κρύσταλλοι

Τα υγροκρυσταλλικά πολυμερή (ΥΚΠ, liquid crystalline polymers, LCPs) είναι υλικά που έχουν τις χαρακτηριστικές ιδιότητες των υγρών κρυστάλλων (συνδυασμός ρευστότητας με μοριακή τάξη), παρουσιάζουν τις αντίστοιχες φάσεις (νηματική, σμηκτικές, κιονικές) και επιπλέον έχουν την επαναληπτική μοριακή δομή των πολυμερών. Τα επαναλαμβανόμενα μοριακά τμήματα αντιστοιχούν συχνά σε μόρια που δίνουν υγροκρυσταλλική φάση και «ως μονομερή» (δηλαδή χωρίς να συνδεθούν σε πολυμερές). Σε άλλες περιπτώσεις (π.χ. άκαμπτες πολυμερικές ράβδοι) η επαναλαμβανόμενη μονάδα δεν είναι αφ’ εαυτής υγροκρυσταλλική αλλά ο τρόπος της επαναληπτικής σύνδεσης παράγει μακρομόρια με ισχυρή κατευθυντικότητα η οποία ευνοεί την υγροκρυσταλλική αυτο-οργάνωση του πολυμερούς. Σε αντιστοιχία με τους «μονομερικούς» υγρούς κρυστάλλους, οι πολυμερικοί υγροί κρύσταλλοι μπορεί να είναι θερμοτροπικοί ή λυοτροπικοί.
Τα ΥΚΠ που παράγονται από τον πολυμερισμό υγροκρυσταλλικών μονομερών (ΥΚΜ, δηλαδή μορίων σαν τα ραβδόμορφα, δισκόμορφα, τοξοείδη κλπ, μόρια τα οποία δίνουν τους μονομερικούς υγρούς κρυστάλλους) διαφέρουν ανάλογα με τον τρόπο σύνδεσης των ΥΚΜ στην επαναλαμβανόμενη δομή. Διακρίνουμε δύο βασικούς τύπους ΥΚΠ:
1. ΥΚΠ κύριας αλυσίδας (main chain LCps), όπου τα ΥΚΜ είναι συνδεδεμένα σε γραμμική αλληλουχία κατά μήκος της διεύθυνσης ανάπτυξης της πολυμερικής («κύριας») αλυσίδας. Η ευκαμψία της κύριας αλυσίδας καθορίζεται από το μήκος των εύκαμπτων υδρογονανθρακικών τμημάτων (συνδετικές αλυσίδες, spacers) ενώ η σχετική παραλληλία μεταξύ διαδοχικών μεσογόνων πυρήνων επηρεάζεται από τον αριθμό των ατόμων άνθρακα που περιέχει η συνδετική αλυσίδα, και ειδικότερα από το αν ο αριθμός αυτός είναι άρτιος ή περιττός.
Ο υψηλός βαθμός παραλληλίας μεταξύ των πολυμερικών αλυσίδων που επιτυγχάνεται στα ΥΚΠ κύριας αλυσίδας βρίσκει βιομηχανική εφαρμογή στην κατασκευή ισχυρών ινών αφού η εξώθηση (extrusion) των ινών αυτών όταν βρίσκονται στην υγροκρυσταλλική κατάσταση τους προσδίδει σημαντικά βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες σε σχέση με τις ίνες που παράγονται στην άμορφη κατάσταση.
2. ΥΚΠ πλευρικής υποκατάστασης (side chain LCPs), όπου τα ΥΚΜ είναι πλευρικά συνδεδεμένα στην πολυμερική αλυσίδα με την βοήθεια συνδετικών αλυσίδων. Η συνολική ευκαμψία του πολυμερούς, και συνεπώς η ρευστότητα, καθώς και η ελευθερία σχετικών κινήσεων των γειτονικών μεσογόνων ομάδων, ρυθμίζονται αφ’ ενός από το μήκος και την ευκαμψία της συνδετικής αλυσίδας και αφ’ ετέρου από το μήκος και την ευκαμψία της πολυμερικής αλυσίδας που μεσολαβεί μεταξύ διαδοχικών σημείων υποκατάστασης («μήκος υποκατάστασης»).
Παραδείγματα υγροκρυσταλλικής τάξης έχουν βρεθεί σε ρευστά πολυμερή διαλύματα. Τέτοια πολυμερή παίζουν σημαντικό ρόλο στη χωρική οργάνωση των βιολογικών μακρομορίων, για παράδειγμα, στη καταχώριση του DNA στα χρωμοσώματα και στη συσσώρευση μικροσωλήνων, τα οποία διαμορφώνουν το δομικό πλαίσιο των κυττάρων. Μία ίνα που διαμορφώνεται από την υγροκρυσταλλική φάση ενός πολυμερούς σώματος, Kevlar, είναι ένα πολυμερές σώμα εξαιρετικά υψηλής δύναμης που έχει σκληρότητα συγκρίσιμη με αυτήν ενός χάλυβα με πολύ μικρότερη πυκνότητα μάζας  .

Υγροκρυσταλλικά δενδρομερή

Τα δενδρομερή (YKΔ, liquid drystalline dendrimers) είναι μεγαλομοριακά συστήματα με μοριακή αρχιτεκτονική επαναλαμβανομένων διακλαδώσεων. Οι παράμετροι της αρχιτεκτονικής αυτής, η οποίες και επιδέχονται ελεγχόμενη ρύθμιση κατά την χημική σύνθεση, είναι: η πολλαπλότητα των διακλαδώσεων (αριθμός των κλάδων που συνδέονται σ’ έναν κόμβο), το μήκος των κλάδων και η δενδριτική γενεά. Ο έλεγχος των παραμέτρων αυτών, επιτρέπει την παραγωγή δενδρομερών υλικών με αυστηρά καθορισμένο μοριακό βάρος (καθορισμένη δενδριτική γενεά). Η υποκατάσταση μεσογόνων πυρήνων σε επιλεγμένα σημεία του δενδριτικού «σκελετού», π.χ. στην περιφέρειά του μπορεί να δώσει ΥΚΔ, δηλαδή δενδρομερή υλικά που παρουσιάζουν υγροκρυσταλλικότητα. Τα ΥΚΔ παρουσιάζουν τις βασικές φάσεις (νηματική, σμηκτικές, κιονικές) που παρατηρούνται και στους απλούς ΥΚ. Οι χαρακτηριστικές διαστάσεις όμως των φάσεων αυτών (π.χ. το πάχος των σμηκτικών στρωμάτων, η κιονική διάμετρος) μπορεί να είναι αρκετά μεγαλύτερες λόγω του μοριακού μεγέθους των ΥΚΔ (~10 nm). Επιπλέον, η δυνατότητα συνύπαρξης ραβδόμορφων και δυσκόμορφων διαμορφώσεων στο ίδιο δενδρομερές οδηγεί υπό ορισμένες συνθήκες και σε μετατροπές μεταξύ σμηκτικής και κιονικής φάσης. Τα ΥΚΔ συνδυάζουν, για κάποιες εφαρμογές, ορισμένα από τα πλεονεκτήματα των ΥΚΠ (π.χ. διευρυμένη δυνατότητα ρύθμισης δομικών παραμέτρων, χημική ευστάθεια) χωρίς να έχουν το μειονέκτημα της πολυδιασποράς και διατηρόντας επιπλέον κάποια πλεονεκτήματα των απλών ΥΚ (π.χ. χαμηλό ιξώδες, που μπορεί και να παρουσιάσει ελάττωση αυξάνοντας το μοριακό βάρος, ταχύτερη απόκριση σε εξωτερικά πεδία).

Μηχανικές ιδιότητες

Η κατάσταση ελάχιστης ελεύθερης ενέργειας ενός απλού νηματικού υγρού κρυστάλλου είναι εκείνη για την οποία ο κατευθυντής έχει ομοιόμορφή διεύθυνση καθ’ όλη την έκταση του ΥΚ. Οι παραμορφώσεις της κατανομής του κατευθυντή στο χώρο επιφέρουν αύξηση της ελεύθερης ενέργειας. Αν οι παραμορφώσεις αυτές είναι αρκετά ήπιες τότε ο υγρός κρύσταλλος μπορεί να θεωρηθεί ως ελαστικό συνεχές μέσο που όμως παρουσιάζει ανισοτροπία. Ο χαρακτηρισμός «ελαστικό συνεχές», εκτός από τις ήπιες παραμορφώσεις, προϋποθέτει ότι η εξάρτηση αίτιου αποτελέσματος είναι γραμμική και ότι με την άρση του εξωτερικού αίτιου των παραμορφώσεων αποκαθίσταται ομοιόμορφη κατανομή του κατευθυντή. Αλλά ακόμα και με αυτές τις προϋποθέσεις, υπάρχει μια σημαντική διαφορά μεταξύ των υγρών κρυστάλλων και των ελαστικών στερεών (ισότροπων ή όχι): η παραμόρφωση στους υγρούς κρυστάλλους αφορά την κατανομή του κατευθυντή (δηλαδή ενός μοναδιαίου διανύσματος) στο χώρο.
Οι παραμορφώσεις στον νηματικό υγρό κρύσταλλο υπόκεινται στους περιορισμούς της απολικότητας, που σημαίνει ότι η αναστροφή του κατευθυντή δεν συνιστά παραμόρφωση, και στον περιορισμό σταθερού όγκου αφού έχουμε πρακτικά ασυμπίεστο υγρό. Αποδεικνύεται ότι υπ΄ αυτούς του περιορισμούς, η γενικότερη δυνατή παραμόρφωση του νηματικού μπορεί να θεωρηθεί ως επαλληλία τριών βασικών παραμορφώσεων: στρέψη (twist), κάμψη (bend) και διάταση (splay).
Η κάθε βασική τέτοια παραμόρφωση έχει την δική της συνεισφορά στη ελεύθερη ενέργεια του ΥΚ και σύμφωνα με το ελαστικό μοντέλο Oseen & Frank, η ολική συνεισφορά της παραμόρφωσης στην ελεύθερη ενέργεια του συστήματος είναι απλά το άθροισμα των επιμέρους συνεισφορών των βασικών παραμορφώσεων που συνθέτουν την ολική παραμόρφωση.

Οπτικές ιδιότητες

Η συμπεριφορά των υγρών κρυστάλλων, και γενικότερα των μη ισότροπων υλικών, όταν μέσα τους διαδίδεται φως, καθορίζεται από την διεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου, δηλαδή την διεύθυνση πόλωσης του φωτός. Όταν η πόλωση είναι κάθετη στον οπτικό άξονα των μη ισότροπων υλικών (για την περίπτωση των υγρών κρυστάλλων ο οπτικός άξονας είναι ο κατευθυντής) τότε το φως αλληλεπιδρά με τον τακτικό δείκτη διάθλασης, n⊥ , τον οποίο συμβολίζουμε και ως nₒ (nordinary). Αντίστοιχα, όταν η πόλωση είναι παράλληλη με τον οπτικό άξονα τότε το φως αλληλεπιδρά με τον μη τακτικό δείκτη διάθλασης, n//.
Για τη γενική περίπτωση όπου η πόλωση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας δεν είναι κάθετη στον κατευθυντή, ορίζουμε το ελλειψοειδές του δείκτη διάθλασης . Αυτό, στη περίπτωση μονοαξονικού υγρού κρυστάλλου, είναι ένα ελλειψοειδές εκ περιστροφής περί τον κατευθυντή. Το μήκος του κατά τη διεύθυνση του άξονα συμμετρίας του («κύριος οπτικός άξονας», που συμπίπτει με τον κατευθυντή) λαμβάνεται ίσο με τη τιμή n// του δείκτη διάθλασης ενώ η μέγιστη διάμετρός του κάθετα στον κύριο άξονα λαμβάνεται ίση με την τιμή n⊥. Με τη βοήθεια του ελλειψοειδούς του δείκτη διάθλασης μπορούμε να βρούμε τους δείκτες διάθλασης που διέπουν την διάδοση μιας ακτίνας σε οποιαδήποτε διεύθυνση εντός του υγρού κρυστάλλου.