Cristalli liquidi

Cristalli liquidi

I c. l. sono sostanze che danno origine a fasi intermedie fra quella cristallina e quella liquida, dette mesofasi. Una mesofase liquido-cristallina (LC) è caratterizzata, rispetto a una fase cristallina, da una ridotta regolarità (ordine) nella disposizione spaziale delle molecole, le quali, però, tendono a essere parallele fra loro (esiste, cioè, un ordine orientazionale), a differenza di quanto accade in un liquido isotropo (I) ordinario. I c. l. in cui l'ordine posizionale è assente si dicono nematici (N), quelli in cui le molecole sono disposte in strati regolari si dicono smettici (Sm) e sono ulteriormente classificati in vari tipi (A, B, C, e così via) a seconda dell'ordine esistente all'interno degli strati. Le fasi LC possono essere ottenute per fusione o raffreddamento (c. l. termotropici) o per dissoluzione in un appropriato solvente (c. l. liotropici). Le molecole che formano c. l. (mesogene) hanno normalmente una forma allungata, detta calamitica, oppure schiacciata (discotica) e, come mostrato da simulazioni al calcolatore, la manifestazione di fasi LC dipende da una combinazione di anisotropia di forma e di attrazione, più che da specifiche caratteristiche chimiche. Allo scopo di illustrare i materiali e le ricerche più recenti nel settore dei c. l. si riportano nel seguito alcuni degli sviluppi attuali più interessanti su struttura e applicazioni dei cristalli liquidi.

Nuovi composti mesogeni

fig.1 A

Molecole discotiche. - La formazione spontanea di colonne formate dall'impilamento di molecole a disco ha portato allo studio della possibilità di conduzione elettrica unidimensionale lungo l'asse della colonna di questi materiali, in vista di un loro possibile utilizzo come fili molecolari in elettronica organica. La struttura del classico discotico trifenilenico (fig.1 A) mostra un nucleo π centrale circondato da una zona di catene alifatiche che separano una colonna da quelle vicine isolandola. I portatori di cariche generati per drogaggio o per fotoeccitazione si muovono preferibilmente lungo la colonna con conducibilità longitudinali π (^∿10⁻³ S/m) molto più grandi di quelle del materiale puro (^∿10⁻⁹ S/m) e circa 10³ volte più grandi dei valori trasversali τ. Recentemente sono state studiate fasi colonnari di mesogeni policondensati (frammenti di grafite) di grandi dimensioni, come l'esabenzocoronene (HBC, Hexa-peribenzocoronene) in fig. 1 B, che mostrano una mobilità di carica particolarmente promettente.

Mesogeni a 'banana'. - Nei c. l. SmC le molecole all'interno di ogni strato hanno direzione media n inclinata di un angolo, detto di tilt, ϑ rispetto alla perpendicolare z allo strato. La variante chirale (SmC*), in cui la proiezione di n su ogni strato descrive un'elica (con passo tipico 1 10 μm), è ferroelettrica, con un dipolo elettrico macroscopico P ≠0 che risulta dall'allineamento dei dipoli molecolari. Tale momento di dipolo può poi essere facilmente allineato da un campo elettrico esterno E, consentendo di controllare l'orientazione media delle molecole di c. l. e di realizzare dispositivi elettroottici a basso consumo energetico e con una risposta particolarmente rapida a un impulso elettrico. La formazione di fasi SmC* è legata alla presenza di costituenti chirali e ha destato quindi molto interesse la scoperta di fasi ferroelettriche formate da molecole non chirali con una insolita forma a banana (fig.1 C).

Sospensioni LC

Recentemente sono state ottenute fasi LC a partire da svariate particelle colloidali naturali o artificiali, con dimensioni ^∿1⁻10⁴ nm. Anche in questi casi l'anisotropia nella forma e nelle interazioni fra particelle gioca un ruolo chiave. In particolare sospensioni acquose del virus TMV (Tobacco Mosaic Virus), che ha lunghezza l^∿300nm e diametro d^∿18nm formano fasi ordinate birifrangenti nematiche e, a concentrazioni più alte, smettiche. Fasi ordinate sono ottenute anche da sospensioni di altri virus, come il batteriofago FD. È stato osservato che sospensioni concentrate di DNA formano organizzazioni colonnari esagonali.

Cristalli liquidi liotropici e materiali nanoporosi

Molecole costituite da parti con affinità chimiche diverse formano organizzazioni LC in opportuni solventi. Per es., molecole anfifiliche, contenenti una testa polare e una catena alifatica, formano in acqua, a diverse concentrazioni ed eventualmente in presenza di molecole terze, una varietà di fasi liotropiche: micelle sferiche, cilindriche, ellissoidali e, via via, fasi cubiche, lamellari, ecc., in cui le catene formano regioni idrofobiche e le teste polari definiscono una interfaccia con le regioni acquose. I due ruoli potrebbero essere scambiati (per es., in un surfattante trisilossanico la testa è non polare e la catena polare). Queste fasi, in cui domini acquosi e organici sono ben separati, possono essere utilizzate come modulo costruttivo (template) per sintetizzare nuovi materiali nano e mesoporosi attraverso la tecnica sol-gel che, mediante una polimerizzazione per idrolisi di organosilicati (per es., il tetraetilortosilicato, TEOS), crea un reticolo di silice solo nella regione acquosa del liotropico. Dopo eliminazione dei sottoprodotti e calcinazione per distruggere la matrice organica, si ottengono materiali a grande area superficiale simili alle zeoliti naturali, di notevole interesse per applicazioni nella catalisi, perché possono essere preparati con pori di dimensioni variabili e maggiori di quelli naturali (tipicamente 1,5-15 nm, ma anche 50 nm e oltre usando anfifili con diversa lunghezza di catena).

Polimeri ed elastomeri LC

I polimeri liquido-cristallini (LCP, Liquid Crystal Polymer) combinano molte delle importanti proprietà tecnologiche dei polimeri con l'anisotropia e le conseguenti particolari proprietà ottiche e meccaniche delle fasi LC. Per es., i LCP nello stato LC, riscaldati sopra la loro temperatura di transizione vetrosa T_g, possono essere allineati da opportuni campi elettrici e magnetici. La fotopolimerizzazione di miscele di mesogeni contenenti gruppi polimerizzabili (mesogeni reattivi), per es. in testa e in coda, con opportuni fotoiniziatori consente di preparare nuovi materiali a partire da fasi LC, bloccando e stabilizzando le strutture ordinate ottenute. Si hanno così reticoli e guide d'onda per la fotonica e numerosi altri nuovi materiali compositi.

Sviluppi significativi si sono avuti per gli elastomeri liquido-cristallini (LCE, Liquid Crystal Elastomer), che, grazie alla combinazione di elasticità entropica del reticolo polimerico e di ordine LC, hanno peculiari proprietà meccaniche e dinamiche. Per es., i LCE cambiano spontaneamente e reversibilmente forma (fino al 400%) con la temperatura attraversando una transizione di fase NI, subiscono variazioni di ordine indotte da stiramento, hanno modulo elastico di Young e rigidità controllabili e modificabili da uno stimolo esterno. L'interesse verso i LCE deriva dal loro potenziale utilizzo come attuatori, anche in micromeccanica e microfluidica, e in applicazioni biomediche (per es., nel settore dei muscoli artificiali). È stata dimostrata la possibilità di indurre rilevanti variazioni di forma (20%) esponendo a luce di opportuna lunghezza d'onda LCE contenenti gruppi fotoresponsivi (azobenzeni che cambiano lunghezza per fotoisomerizzazioni trans-cis) ed è stato mostrato che si può flettere in varie direzioni un foglio LCE di questo tipo per semplice irradiazione con luce polarizzata nelle diverse direzioni. La risposta fotomeccanica è reversibile e riproducibile, con tempi ^∿10 s. La polimerizzazione di strutture colesteriche contenenti mesogeni reattivi con coloranti per laser ha consentito di ottenere gomme LCE, che emettono laser senza una cavità risonante a specchi esterna ma solo sfruttando la banda di riflessione generata dalla periodicità in una dimensione dell'elica colesterica. È affascinante come il colore della luce emessa cambi cambiando il periodo dell'elica, anche per semplice stiramento del LCE.

Display

La grande maggioranza dei display a c. l. (LCD, Liquid Cristal Display) attuali è del tipo twisted nematic (TN), particolarmente del tipo thin film transistor (TFT) in cui ogni elemento indirizzabile del display (pixel) è attivato da almeno un transistor.

I vari tipi di display si differenziano per il tipo di allineamento superficiale del c. l. e per la risposta al campo elettrico, ricordando che materiali con anisotropia dielettrica Δε>0 o Δε〈0 si allineano rispettivamente in direzione parallela o perpendicolare al campo.

Nel classico display TN, le superfici G₁, G₂ sono trattate per indurre allineamento planare in due direzioni perpendicolari con una risultante configurazione a elica del c. l. (off) che viene distrutta dall'effetto allineante del campo (on), se il c. l. usato ha Δε>0. Quindi in un TN LCD il pixel lascia passare la luce se off o la blocca se on. Negli ultimi anni altri tipi di display hanno trovato diffusione commerciale, specie per schermi TV di grandi dimensioni, in particolare quelli in plane switching (IPS) e vertical alignment (VA).

fig. 2

In un display IPS le pareti interne superiori e inferiori della cella, G₁ e G₂, sono trattate in modo da indurre allineamento planare delle molecole di c. l. lungo una stessa direzione (x) e gli elettrodi E sono applicati sullo stesso lato (G₂ in fig. 2 a sinistra). Con il pixel off la luce polarizzata da P₂ passa attraverso il dominio uniforme di c. l. ed è bloccata dal polarizzatore P₁. Utilizzando un c. l. con Δε〈0, in on il campo fa ruotare di 90º la direzione di allineamento vicino a G₂ e la configurazione ritorta così ottenuta consente alla luce di attraversare il pixel.

Nella tecnologia VA (fig. 2 a destra) il trattamento di G₁ e G₂ produce un allineamento del c. l. perpendicolare alle superfici (verticale) a parte un leggero pre-tilt, facilitato da apposite protuberanze. Nello stato off il pixel appare quindi buio. In on, scegliendo un c. l. con Δε〈0 le molecole tendono a disporsi orizzontalmente e l'effetto netto è di una direzione angolata che lascia passare la luce.

bibliografia

W. Hamley, Introduction to soft matter: polymers, colloids, amphiphiles and liquid crystals, New York 2000.

P.J. Collings, Liquid crystals: nature's delicate phase of matter, Princeton 2002.

M. Warner, E.M. Terentjev, Liquid crystal elastomers, Oxford 2003.

W. den Boer, Active matrix liquid crystal displays: Fundamentals and applications, Amsterdam 2005.