cristalli liquidi
I c., o meglio le fasi liquido-cristalline, sono uno stato della materia (detto anche stato mesomorfico) intermedio fra quello di un solido cristallino e quello di un liquido isotropo. Per estensione, con la stessa denominazione, vengono indicate le sostanze che mostrano una tale fase. I c. possiedono molte delle proprietà meccaniche di un liquido, quali, per es., alta fluidità, incapacità di sopportare sforzi di taglio, formazione e coalescenza di gocce. Parimenti, essi risultano assai simili ai cristalli per l’anisotropia delle loro proprietà elastiche, ottiche, elettriche e magnetiche.
Caratteristiche
Le sostanze che possiedono una mesofase liquido-cristallina ottenibile con la sola variazione della temperatura vengono indicate con il termine di c. termotropici. Le soluzioni di sostanze che possiedono una mesofase liquido-cristallina ottenibile anche con la variazione della concentrazione (oltre che della temperatura) vengono indicate con il termine di c. liotropici: tipiche sono le soluzioni acquose di sostanze anfilitiche (per es., i lipidi e i detergenti); anche le soluzioni acquose di acidi nucleici e di polinucleotidi danno luogo a strutture di tipo liotropico. I tre principali tipi di c. termotropici sono i nematici, i colesterici e gli smettici (v. fig.).
La fase nematica risulta caratterizzata da un ordinamento molecolare di tipo orientazionale a lungo raggio; gli assi lunghi delle molecole, che possono per semplicità pensarsi di forma ellissoidale, tendono a orientarsi parallelamente in una stessa direzione (fig. A), mentre i baricentri risultano distribuiti casualmente, come dimostrato dall’assenza di massimi pronunciati nella figura di diffrazione ai raggi X. La fase colesterica, analogamente a quella nematica, risulta caratterizzata dall’assenza di un ordine a lungo raggio per i baricentri delle molecole mentre esiste un ordinamento orientazionale.
La fase smettica è invece caratterizzata da una struttura stratificata la cui distanza caratteristica può misurarsi con la diffrazione a raggi X. Esistono vari tipi di c. smettici: nella presente trattazione accenneremo solo a quelli di tipo A, C e B. Nei c. smettici A (fig. C), le molecole, sempre di forma allungata, risultano disposte in strati ortogonali all’asse lungo molecolare. Entro ogni strato, il cui spessore è dell’ordine della lunghezza molecolare, i baricentri delle molecole non mostrano alcun ordinamento a lungo raggio. Negli smettici C, l’ordinamento molecolare mostra una struttura stratificata, nella quale l’asse lungo delle molecole non è normale alla giacitura dei piani (fig. D): l’angolo d’inclinazione degli assi rispetto ai piani può essere funzione della temperatura T. Gli smettici B sono caratterizzati dalla circostanza che entro ogni strato esiste un ordinamento per la disposizione dei baricentri delle molecole: cioè tale fase appare simile a un solido bidimensionale. Strutture lamellari, simili a quelle dei c. smettici, sono comuni in natura, particolarmente nelle membrane di organismi viventi.
Uno stesso composto, sia termotropico sia liotropico, può possedere diverse fasi liquido-cristalline. Per i c. termotropici, all’aumentare della temperatura si succedono, a partire dal solido cristallino, fasi caratterizzate da un ordine molecolare sempre minore fino a raggiungere la fase di liquido isotropo. L’ordine delle varie trasformazioni risulta dunque definito solo per alcune di esse: la transizione nematico-liquido isotropo è del primo ordine, quella smettico A-nematico può essere anche del secondo ordine, e così pure quella smettico C-smettico A.
Uno degli aspetti più peculiari dei c. è la capacità di variare la configurazione sotto l’azione di forze esterne in modo assai simile a quanto avviene nei solidi. Pertanto alla presenza di deformazioni di curvatura possono correlarsi delle forze di richiamo di tipo elastico che vengono a manifestarsi nella forma di sforzi di curvatura o coppie. Sfruttando le sole caratteristiche elastiche dei c. è possibile, per es., per materiali nematici, ottenere campioni monocristallini spessi imponendo un orientamento soltanto allo strato molecolare in contatto con le pareti della cella. Possedendo i c. proprietà diamagnetiche anisotrope, il loro orientamento molecolare può essere modificato dall’applicazione di campi magnetici.
Applicazioni
Il cambiamento della colorazione mostrata dai c. colesterici al variare della temperatura (per alcune sostanze basta infatti una variazione di meno di 1 °C per osservare una variazione cromatica dal rosso al violetto passando attraverso tutti gli altri colori), connessa all’alta risoluzione spaziale (dell’ordine di 104 punti/cm2) e alla facilità d’impiego, ha permesso l’uso di tali sostanze come sensori termici. È possibile ottenere ora c. colesterici con apprezzabili variazioni cromatiche in ogni intervallo di temperatura desiderato sia per scopi industriali (per es., analisi termica di componenti elettronici) sia per diagnostica clinica (per es., la rivelazione termoscopica di tumori non profondi, come nel caso della mammella). Con gli stessi tipi di sostanze è possibile inoltre costruire buoni convertitori d’immagine dalle microonde o dall’infrarosso al visibile.
Gli alogenuri del colesterolo, in particolare lo ioduro, permettono di ottenere convertitori di immagini dall’ultravioletto al visibile: la decomposizione dello ioduro sotto l’azione di tale tipo di radiazione elettromagnetica modifica il passo della struttura, producendo una variazione cromatica del campione, analizzato in riflessione al visibile.
I materiali nematici per le loro proprietà elettroidrodinamiche, cui sono connesse caratteristiche di alta diffusione della luce, si prestano particolarmente per la costruzione di display elettroottici caratterizzati da un contrasto di visibilità costante a campo costante e pertanto insensibili ai fenomeni di abbagliamento da luce ambiente. In connessione con materiali fotoconduttori, come il selenio, i c. nematici possono essere utilizzati come display elettro;ottici eccitati mediante segnali luminosi. In miscele con i colesterici, i c. nematici sono anche usati come memorie ottiche eccitate e cancellate elettricamente. In miscele con gli smettici, si prestano come memorie per segnali infrarossi intensi. Display elettroottici a colori sono stati ottenuti sciogliendo in c. nematici coloranti organici, risultando il colore mostrato dal campione funzione dell’orientamento molecolare.
Per la facilità con cui i materiali nematici possono essere orientati, essi si prestano molto bene a fornire una matrice orientata per lo studio spettroscopico di sostanze dicroiche e per la risonanza magnetica nucleare. Infine, per la facile orientabilità sotto l’azione di campi elettrici, si prestano efficacemente alla visualizzazione di domini ferroelettrici.