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B. Piropo

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II – Cristal líquido

Terminamos a última coluna com uma pergunta: o que acontece quando fazemos um feixe de luz atravessar dois filtros polarizadores, um depois do outro, cujos planos de polarização formam um ângulo reto?

Se você leu a coluna anterior, sabe que a luz é uma forma de energia que se propaga em ondas que oscilam em diversos planos. E que podemos fazê-la oscilar em um único plano obrigando-a a atravessar um filtro polarizador. Veja, na Figura 1, uma onda decomposta apenas nos planos vertical (onda carmim) e horizontal (onda verde).

Figura 1: Onda luminosa atravessando filtros ortogonais

Repare, na parte de baixo da figura, o que acontece quando fazemos esse feixe luminoso atravessar dois filtros polarizadores ortogonais, ou seja, dispostos em ângulo reto. Na parte esquerda da figura a onda oscila em todos os planos (só são mostrados os planos horizontal e vertical, mas ela oscila em todos os demais, como vimos na última coluna). Quando a onda atravessa o primeiro filtro, situado na vertical, os componentes da onda que oscilam nos demais planos são retidos, atravessando o filtro apenas o componente que oscila no plano vertical. Mas logo adiante há um outro filtro, esse situado na horizontal. Como o único componente que chega até ele oscila no plano vertical, não consegue atravessá-lo. O resultado é que a onda luminosa é inteiramente absorvida pelo conjunto dos dois filtros. Um observador situado à direita da imagem, olhando para a fonte de luz, não verá absolutamente nada. A combinação dos dois filtros ortogonais extingue o raio luminoso.

Agora, falemos um pouco dos cristais.

Chama-se "cristal" a uma substância em que seus constituintes (átomos e moléculas) se apresentam alinhados de uma forma ordenada que se repete tridimensionalmente, ou seja, mantêm sempre uma determinada orientação espacial. No cristal, grupos de moléculas paralelas entre si "apontam" para direções determinadas formando uma estrutura tridimensional em forma de uma montagem de grades. Veja, na Figura 2, a estrutura tridimensional de um cristal de cloreto de sódio, o nosso velho conhecido sal de cozinha.

Figura 2: Estrutura cristalina do cloreto de sódio

Como se vê, os átomos de cloro e sódio, os dois elementos que formam a substância cristalina, se dispõem regularmente no espaço, formando uma estrutura em forma de grade tridimensional cúbica.

Em geral os cristais são sólidos, como o quartzo e o diamante. A forma pela qual suas moléculas se arranjam faz com que um pedaço de cristal "quebre" sempre em planos determinados, os "planos de clivagem". É assim que os lapidadores conseguem esculpir o formato regular das pedras preciosas, que geralmente são cristais. Um brilhante é um diamante lapidado.

Mas o que vem a ser um "cristal líquido"?

Toda matéria é formada por moléculas. E a matéria pode se apresentar em três estados, gasoso, líquido e sólido. No estado gasoso as moléculas da substância não se reúnem em um "corpo". Ao contrário, se repelem e tendem a ocupar completamente o volume do recipiente que as contêm. Já no estado líquido elas não se separam. Permanecem juntas, mas podem deslizar umas sobre as outras, se amoldando à forma do recipiente. No estado sólido suas posições são fixas relativamente umas às outras, resultando em objetos que não mudam de forma.

Pois bem: algumas substâncias são capazes de se manter em um estado no qual suas moléculas podem "escorregar" livremente umas em relação às outras, como as dos líquidos, porém jamais mudam sua orientação, "apontando" sempre para direções determinadas, como as dos cristais. Quando nesse estado, essas substâncias constituem os chamados "cristais líquidos".

O "cristal líquido" não é uma substancia, mas apenas um estado físico de um tipo especial de substância. Que, como qualquer outra substância, pode ser solidificada ou liquefeita na medida que a temperatura varia. Quando se apresenta em estado sólido é preciso fornecer uma notável quantidade de calor para fazêla passar ao estado de cristal líquido. Porém, fornecendo apenas mais um pouco de calor, ela passa rapidamente ao estado líquido (é por isso que as telas de cristal líquido apresentam grande sensibilidade a mudanças de temperatura, comportando-se estranhamente em ambientes excessivamente frios ou quentes).

Há diversas substâncias que podem assumir o estado de cristal líquido. As usadas na fabricação de telas são aquelas que, durante sua mudança de estado, são capazes de assumir a "fase nemática" ("nematic phase"), mais particularmente as do tipo "nemático retorcido" ("twisted nematics"). Essas substâncias apresentam estruturas moleculares paralelas, como todos os cristais. Mas as do tipo "twisted nematics" apresentam ainda uma propriedade adicional: se a elas for aplicada uma tensão elétrica, seus cristais se "retorcem", formando uma espécie de estrutura em hélice. E o grau de torção é tão maior quanto mais intensa for a corrente aplicada. É esta propriedade que permite que elas sejam usadas na fabricação de telas de cristal líquido. Vejamos como.

Uma tela de cristal líquido consiste de uma série de camadas superpostas. A do fundo é uma placa luminosa, uma camada luminescente que emite luz comum, não polarizada. A seguinte é um filtro polarizador vertical. Sobre ela há uma delgada camada de cristal liquido formada por pontos independentes aos quais estão ligados finos eletrodos transparentes, que não interferem na propagação da luz. Em frente a esta há um novo filtro polarizador, desta vez horizontal e, finalmente, adiante dele, uma camada protetora de plástico transparente. Veja, na Figura 3, um diagrama esquemático mostrando as diversas camadas de uma tela de cristal líquido com os eletrodos desenergizados, portanto em sua condição natural (não "retorcidos").

Figura 3: Esquema de uma tela de cristal líquido

Examine o que ocorre na Figura 3. A camada do fundo emite luz, que é polarizada pelo primeiro filtro em um plano vertical. Este feixe de luz polarizada atravessa a camada de cristal líquido, cuja estrutura se dispõe também no plano vertical, e se propaga até o próximo filtro polarizador. Mas como este filtro só deixa passar a luz que vibra no plano horizontal, o feixe luminoso não o atravessa. Quem olha de frente para este ponto da tela vê apenas um ponto negro, pois toda a luz emitida pela placa luminosa foi retida pelos dois filtros polarizadores ortogonais.

Agora veja, na Figura 4, o que acontece quando os eletrodos são energizados com uma tensão suficiente para impor à estrutura do cristal líquido uma torção de noventa graus devido ao fenômeno da "twisted nematics".

Figura 4: Esquema da tela com os eletrodos energizados

A luz incidente atravessa o primeiro filtro polarizador, do qual sai oscilando apenas no plano vertical, e penetra na camada de cristal líquido. Porém o cristal líquido, como a maioria dos cristais, é capaz de conduzir a luz. E, na medida que sua estrutura vai se retorcendo, o plano de oscilação da luz polarizada segue acompanhando esta torção. O resultado é que ao deixar a camada de cristal líquido, o plano de polarização da luz sofreu uma torção de noventa graus. Ao deixar a camada de cristal líquido a luz polarizada oscila no plano horizontal e pode, portanto, atravessar o segundo filtro. Quem olha de frente para este ponto da tela vê um ponto iluminado, pois agora a luz emitida pela placa luminosa consegue atingir a superfície da tela. Se a tensão aplicada aos eletrodos for removida, os cristais voltam à sua condição natural, a luz polarizada que atravessa a camada de cristal líquido volta a oscilar no plano vertical e o ponto se "apaga".

Uma tela de cristal líquido é formada por milhares de minúsculos pontos como o acima descrito. O tamanho de cada ponto e o número de pontos dependem de dois fatores: as dimensões e a resolução da tela. Para telas de mesmas dimensões, quanto maior a resolução menor será o tamanho de cada ponto e melhor a qualidade da imagem. Cada um desses pontos é uma "célula de imagem", em inglês "picture cell", cuja contração gerou "pixel", nome pelo qual são conhecidos (se desejar maiores informações sobre apresentação de imagens em telas, visite a seção "Pesquisar" de meu sítio e faça uma busca com o termo "pixel").

Para gerar imagens em "tons de cinza" em telas monocromáticas basta ajustar a luminosidade do ponto. Isso pode ser feito controlando a tensão aplicada aos eletrodos que retorcem os cristais. Uma tensão plena retorce os cristais até um ângulo de noventa graus e toda a luz polarizada atinge a superfície da tela, gerando um ponto de máxima luminosidade. Uma tensão ligeiramente menor reduz um pouco o grau da torção, fazendo com que o plano em que a luz polarizada atinge o segundo filtro forme um pequeno ângulo com a horizontal. Isso faz com que parte da energia luminosa seja absorvida pelo filtro polarizador horizontal, reduzindo a luminosidade do ponto. Quanto menor a tensão, maior será o ângulo formado pelo plano da luz polarizada e horizontal, e maior quantidade de energia será retida pelo filtro polarizador horizontal. Assim, variando a tensão, se pode fazer a luminosidade (ou "brilho") do ponto variar desde seu valor máximo até zero, quando o ponto se "apaga". Fazendo esse ajuste ponto a ponto (ou pixel a pixel), forma-se a imagem na tela monocromática.

Já no que diz respeito à uma tela de cristal líquido colorida, o princípio de funcionamento é rigorosamente igual ao descrito, porém sua tecnologia de fabricação é muito mais complexa. Isso porque a imagem continua a ser formada por pixels, ou células de imagens. Porém os pixels agora são pontos coloridos. Para se obter o efeito da cor, faz-se com que cada um deles seja formado por três pontos idênticos aos acima descritos para as telas monocromáticas, porém encobertos por um filtro colorido, vermelho, verde ou azul (cujas iniciais em inglês são "R", de "red", "G", de "green" e "B", de "blue", de onde deriva a designação "RGB" usada para telas coloridas). Toda cor, não importa sua tonalidade ou matiz, é composta por uma mistura de diferentes intensidades dessas três cores (por isso também conhecidas como as três cores básicas). Então, para gerar um ponto colorido em uma tela de cristal líquido, basta controlar as tensões sobre os eletrodos que regulam a intensidade da luz de cada um dos três pontos que formam um pixel. Com isso se ajusta a intensidade de cada cor básica, gerando exatamente a cor desejada.

É claro que o assunto pode ter ainda um bocado de desdobramentos caso venham a ser considerados temas como a forma de aplicar energia a cada ponto (que divide as telas em "matriz ativa" e "matriz passiva") e outros detalhes. Mas os princípios básicos do funcionamento de uma tela de cristal líquido estão todos aí.

E, como se vê, são mais simples do que pareciam.