I cristalli liquidiSeminario tenuto dal prof Marco Fontana

Stati intermedi della materia: Mesofasi Termotropiche e

Liotropiche

Caratteristiche principali

•Materia “soffice”•Varie fasi caratterizzate da diversi tipi di ordine

orientazionale delle molecole•Struttura e morfologia molto sensibili a parametriesterni, quali temperatura, campi elettrici e magnetici,solventi, impurezze, pH etc

•Proprietà ottiche controllabili (birifrangenza, scattering,riflettanza)

•Valenza biologica•Transizioni di Fase: sistema paradigmatico

Liquidi isotropi

Mesofasi tipiche

Tipica dipendenza dalla temperatura

Tipiche Molecole5CB = pentilcianobifenile; PAA= paraazossianisolo

Tcn 119°C

Tni 135°C

Tcn 18°CTni 36°C

MBBA

Fase discotica: tipiche molecole planari comeporfirine e ftalocianine

La molecola TBBATerephthaldehyde-bis-(4-n-

butylphenylimine)

Il TBBA presenta moltetransizioni di fase

Abbassando la temperatura:•Isotropico/nematica 236°C•nematica/smettica A 198°C•Smettica A/smettica C 172°C•Smettica C/smettica G 144°C•Smettica G/smettica H 89°CQueste fasi di possono osservare con la microscopia

in luce polarizzata

Tessiture in luce polarizzata

Altre tessiture

Ancora tessiture

Larva di drosophila: microimaging birifrangente

Il ruolo dei difetti

Disclinazioni nematiche

Tessiture in polimero-LC

Fase colesterica

Molecola colesterica

Polipeptidi lc

Elica colesterica

Liotropici

• La mesofase si ottiene variando la concentrazione delle molecole nelsolvente (di solito acqua)

• Molecole anfifiliche

Laurato di sodio →

Fosfolipidi: costituenti fondamentali delle membrane biologiche

Tipiche Mesofasi Liotropiche

A concentrazioni elevate:

Doppio strato lipidico: componentefondamentale delle membrane biologiche

A concentrazioni elevate

Vescicola

Monostrato di Langmuir all’interfacciaAria-acqua

Diagramma di fase liotropico

Applicazione principale:displays a cristallo liquido

Si usa una combinazione di effetti di birifrangenza edi campo elettrico applicato

Colori vs temperatura in colesterico

Effetto di campo elettrico

Effetto di campo elettrico

Effetto di campo elettrico

Effetto di campo elettrico

Twisted

Twisted

twisted

La cella nematica “twisted”: base per i displays

Nella conf. A, luce passa: se la riflettiamo, il display sarà luminoso.Nella conf. B, niente luce, dunque il display sarà nero

Transizione di Friedericks

PLDC: polymer dispersed liquid crystals

Molecole viste da un fisico

L’ordine orientazionale• Simmetria cilindrica• Simmetria rispetto all’inversione del versore

nematico ŝ• Media sulle orientazioni a delle molecole rispetto a ŝ

• Funzione di distribuzione angolare f(θ,φ)• Meccanica statistica → Eq. Diffusione di

Smoluchowsky

Fasi e parametri d’ordine• Quantità che descrive l’ordine orientazionale delle molecole• Tensore del secondo rango; nel caso uniassiale, di ha: Sαβ = S(aαaβ -⅓δαβ); α, β = x,y,z→

• S = 1, tutte le molecole parallele a ŝ; S = 0, fase isotropica• Fase nematica: S = ½<3cos2 θ – 1>, dove la media è calcolata sulla

funzione f(θ,φ)• In generale, S è il secondo momento dello sviluppo di f(θ,φ) in serie

delle armoniche sferiche: Sαβ → Yℓ,m(θ, φ); per fase nematica uniassiale, ℓ=2, m=0 → P2(cos θ ) = polinomio di Legendre (simmetria cilindrica); potenziale di Maier-Saupe:

• Nella fase smettica, ordine lungo z → p = <cos2πz/d>,• Però non ordine a lungo raggio → G(r) ~ r-η , instabilità di Landau-

Peierls; nei liquidi semplici invece decadimento esponenziale• Smettici C: p.o. = χ = ωexp(i φ) → superfluidi quantistici

Ordine e dinamica: esperimenti

• Statica: misure dei parametri d’ordine: righe NMR, EPR, Raman e Fluorescenza depolarizzati;Struttura microscopica: diffrazione X e neutronica

• Dinamica: fluttuazioni orientazionali: Fourieranalisi di righe Raman e FTIR depolarizzate; NMR impusata, EPR, QENS.

• Moti diffusivi: QENS, SCP, NMR• Misure macroscopiche: rilassamento dielettrico,

suscettività diamagnetica, calorimentria, birifrangenza

Dipendenza dalla temperatura di S misurato con varie tecniche

Tipologia delle transizioni di fase• Primo ordine: fusione del cristallo: calore

latente, discontinuità grande del p.o.• Secondo ordine: transizione continua, p.o.

descresce fino a 0 (quando T=Tc)• Trans. N-I: “debolmente” del I ordine, effetti

pre- e post-transizionali• Smettico C-Smettico A: II ordine,

fluttuazioni critiche orientazionali

BIBLIOGRAFIACollings P.J., Liquid Crystals: Nature's Delicate State of Matter , Princeton (1990. )P.G. de Gennes, The Physics of Liquid Crystals, Oxford (1974)Brown + Wolken, Liquid Crystals and Biological StructuresNeedham, J. Order and Life, MIT Press, Cambridge, Mass. (1935)Blinov, L.M. Electro-optical and Magneto-optical Principles of Liquid Crystals, John Wiley and Sons, London, 1983.S. Chandrasekhar, Liquid Crystals