Cristalli liquidi

Come avviene l’uso di “uno stadio intermedio” della materia.

Tutti abbiamo studiato a scuola che la materia si presenta in 3 stati differenti: solido, liquido e gassoso. Questa classificazione risulta però essere troppo semplicistica. Esistono, infatti, tanti stati intermedi tra liquidi e solidi: a esempio i cristalli liquidi. 

I cristalli liquidi sono stati scoperti circa 100 anni fa e da 20 anni a questa parte sono diventati oggetti estremamente comuni. Per esempio costituiscono il display di orologi digitali, televisori o delle calcolatrici. 

Tipologie di liquidi

Molecola allungata

Per ottenere un cristallo liquido si inizia solitamente con una molecola allungata, come quella mostrata sopra. Questa è costituita da una parte rigida centrale, che però da sola non è sufficiente a creare un cristallo liquido.

Se le molecole fossero completamente rigide formerebbero un cristallo, invece che un liquido, alle temperature ordinarie. Per questo sono necessarie due catene flessibili agli estremi che prediligono lo stato liquido.

Per ottenere un cristallo liquido, però, serve dare anche un certo ordine alle molecole. Infatti, un fluido isotropo, ovvero che si sposta indistintamente in tutte le direzioni, risulta troppo disordinato. 

Una via di mezzo è data da un fluido nematico: ovvero un fluido in cui le molecole allungate rimangono parallele con un’orientazione comune. Come se fossero delle sardine in scatola!

Anche in un fluido nematico però c’è del disordine. La posizione relativa delle diverse molecole non è fissa e sono quindi libere di muoversi. La direzione in cui si allineano è influenzata da condizioni esterne come possono essere scanalature o incisioni nel contenitore in cui si trovano.

Liquido Isotropo
Liquido Neumatico

Un’altra tipologia di liquidi è quella dei liquidi smetici (smectic liquids) <,dal greco smêktikos, che significa sapone. Queste molecole sono organizzate in strati (layers) il cui spessore è ben definito e le molecole sono ragionevolmente parallele.

Nonostante siano contenute in un “layer”, queste possono spostarsi liberamente se sottoposte ad agitazioni termiche. Si nota, inoltre, che le molecole al centro di ogni strato risultano disordinate. 

Liquido Smetico o Sapone

Come si riconosce un cristallo liquido? 

Il primo a capire la natura di un cristallo liquido fu Georges Friedel (1865-1933). Negli anni 20 del 1900, con l’aiuto di un microscopio ordinario, Friedel riuscì a capire la distribuzione di molecole che non poteva vedere direttamente, riuscendo a dedurre la struttura degli smetici.

Friedel osservò arrotolando, deformando e confrontando le strutture di questi saponi, che era possibile distinguere i vari strati che lo costituivano. Dedusse che questi, potendosi piegare e adattare a varie forme, dovevano essere dei liquidi!

Ecco così trovate delle molecole orientate in strati solidi, ma che nel loro insieme possono essere maneggiate similmente a dei liquidi.

Proprietà dei cristalli liquidi:

  • Proprietà Strutturali – le molecole si dispongono secondo una distribuzione che permette loro sia di riempire il contenitore in cui si trovano, sia di mantenere un orientamento parallelo tra loro. Questo compromesso si raggiunge nella configurazione a elica, come fossero delle scale a chiocciola.
  • Proprietà Elettriche – Quando una tensione è applicata gli assi delle molecole, queste si allineano parallelamente alla direzione del campo elettrico
  • Proprietà Ottiche – Sono anisotrope, ovvero hanno proprietà ottiche che dipendono dalla direzione. Per questo sono molto utili in applicazioni con la luce polarizzata.

Come funziona un LCD?

Due elettrodi costituiti da due vetri conduttori con delle scanalature sulla superficie creano un nematico intrecciato. Questo viene irraggiato con della luce polarizzata (con una direzione ben precisa), che propagandosi nel nematico varia la sua polarizzazione, ruotando su se stessa. 

Sul secondo vetro è applicato un polarizzatore, ovvero un oggetto che permette di vedere solo la luce con la stessa direzione della polarizzazione. Il polarizzatore, però, ha direzione ortogonale alla luce incidente. Quindi per come stanno ora le cose guardando il secondo vetro si vedrebbe uno schermo nero: la luce non passa!

Applicando una tensione tra i due elettrodi, il campo elettrico all’interno del nematico fa assumere alle molecole una direzione parallela a quella del campo elettrico.

In questo modo la luce attraversa il primo vetro e il nematico senza cambiare la sua polarizzazione. In questo modo si può vedere la luce uscire dal secondo vetro!

Questi nematici intrecciati sono stati inventati da W.Helfrich, ed ebbero un impatto importante per le prime applicazioni dei cristalli liquidi.

Questi richiedono poca energia, ma hanno un limite temporale dovuto al fatto che servono pochi millesimi di secondo per far assumere alle molecole l’orientamento desiderato con il campo elettrico. 

Tale tecnica va bene per piccoli schermi, ma non è sufficientemente veloce per gli schermi delle nostre televisioni. Ecco perché sono state applicate altre tipologie di cristalli liquidi che ci permettono di vedere comodamente sul divano i nostri film preferiti!

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