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FONDAZIONE
Calabria Scienza Oggi
Facoltà di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali
Università della Calabria
SOFT MATTER
R.Bartolino
Direttore Centro regionale LICRYL INFM/CNR
dipartimento di Fisica UNICAL Preside facoltà di Scienze
Presidente Fondazione Cal-sci-oggi
Soft matter Camigliatello 22/07/05
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Ordine e disordine
Gli stati di aggregazione della materia noti, le fasi solida, liquida e
gassosa, sono caratterizzati da un diverso ordine nella disposizione
spaziale delle particelle (a/m che li costituiscono). Immaginiamo di poter
osservare un volume di un gas rarefatto di dimensioni microscopiche con
un dispositivo che ci consenta di ingrandire e rallentare un milione di
volte l’ immagine, vedremo un gran numero di palline ( molecole di
acqua) di diametro prossimo al mm muoversi in maniera casuale ad una
velocità di circa 2 mm al secondo. In effetti anche con un simile
dispositivo sarebbe molto difficile seguire il moto delle palline poiché
esse sono soggette a continui e casuali cambiamenti di traiettoria.
Immaginiamo di poter fotografare in un determinato istante di tempo il
campione di acqua ingrandito. Se, tracciata una circonferenza di raggio
fissato (diciamo un mm dal momento che nel nostro mondo ingrandito
un mm corrisponde a qualche nm del mondo reale) e concentrica ad una
molecola scelta a caso, contassimo le molecole racchiuse nella
circonferenza e sommassimo il risultato ottenuto al variare della
molecola scelta come centro della circonferenza e ripetessimo questa
operazione raddoppiando, triplicando, quadruplicando, ecc. il raggio
della circonferenza noteremmo che il risultato sarebbe sempre, più o
meno, lo stesso.
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Ordine e disordine
• Infatti, il risultato delle somma effettuata per un valore di raggio r
fissato è proporzionale alla probabilità di trovare una molecola ad una
distanza r da un’ altra comunque scelta, ed essendo quella gassosa una
fase completamente disordinata, questa probabilità deve essere
costante su tutto lo spazio. La funzione da noi definita, che, data una
lunghezza r fornisce la probabilità che un’ altra molecola si trovi a
distanza r dalla prima è detta funzione di distribuzione delle coppie ed
è una quantità accessibile sperimentalmente mediante esperimenti di
diffusione neutronica . In modo analogo si possono definire funzioni
di distribuzione per un numero maggiore di molecole, ad esempio la
funzione ci da la probabilità di avere una particella nella posizione r1
quando ve ne sia una prima nella posizione r2 ed una terza nella
posizione r3 (in questo caso le posizioni r1, r2 e r3 sono vettori e per
questo sono state scritte in grassetto) ma ai nostri fini non sono
necessarie. Valori massimi della funzione rappresentano punti dello
spazio nei quali vi è una probabilità più grande di trovare una
particella, nel nostro caso una molecola.
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Disordine: gas
• quando le particelle sono distribuite in maniera casuale la funzione è
costante per un largo intervallo di valori di r, questo tipo di sistemi
sono detti completamente disordinati spazialmente: caso dei gas
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Ordine :solidi cristallini
• se le particelle sono distribuite periodicamente, ossia se
esse occupano nello spazio posizioni equamente distanti ,
la funzione rifletterà questa condizione mostrando un
andamento periodico e l’ insieme di particelle risulterà
essere completamente ordinato spazialmente.
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Ed i Liquidi?
• Ordine a corta distanza: primi vicini e su scale di
tempi che dipendono da questi vicini
• La funzione di correlazione dei liquidi presenta uno
o due massimi e poi diventa uniforme
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Passaggio da ordine a disordine
• A parte i gas nobili ogni molecola interagisce con quelle che
le sono vicine in modo più o meno forte: dipende dalla
struttura elettronica e magnetica della molecola
• Chiamiamo U (rij) l’energia di interazione
• D’altra parte ogni molecola possiede una energia cinetica di
origine termica K(T)
• Grossolanamente possiamo dire che a temperature molto alte
ogni sostanza tende ad essere nella fase gassosa
• A temperature molto basse prevale invece l’energia di legame
e quindi tendiamo ad avere solidi
• E in tutti gli altri casi abbiamo situazioni intermedie con un
equilibrio tra le due energie ( il sistema comunque tende a
trovarsi ad un minimo di energia): vi è un evidente legame tra
il bilancio energetico e la funzione di correlazione
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C’E’ dell’altro….
• Perché Oltre ad un ordine di tipo spaziale, possiamo definire
un ordine orientazionale. Naturalmente ciò ha senso nel caso
si possa assegnare un’ orientazione ad ogni particella, quindi
quando le particelle non sono sferiche come nel caso
considerato, ma hanno ad esempio una forma allungata,
ellissoidale. Perciò, un sistema per essere completamente
ordinato dovrà avere ordine orientazionale e spaziale a lungo
raggio (su distanze meso o macroscopiche).
• In un sistema di particelle non sferiche, i diversi tipi di ordine
(lungo le tre direzioni spaziali per quel che riguarda l’ ordine
posizionale e relativamente all’ angolo azimutale e all’ angolo
polare per quel che riguarda l’ ordine orientazionale) possono
mancare parzialmente. Ad esempio, potremo avere uno stato
in cui il sistema ha solo ordine orientazionale a lungo raggio,
oppure ordine posizionale bidimensionale e ordine
orientazionale entrambi a lungo raggio.
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C’E’ dell’altro….
• Ad esempio, potremo avere uno stato in cui il
sistema ha solo ordine orientazionale a lungo
raggio, oppure ordine posizionale bidimensionale
e ordine orientazionale entrambi a lungo raggio.
•
• In natura se una cosa è possibile
• Nelle opportune condizioni
• Essa si verifica
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CRISTALLI LIQUIDI ed altro
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• Questi stati che dal punto di vista dell’ ordine molecolare non
sono né solidi, né liquidi né gassosi, ma, piuttosto hanno
proprietà intermedie a quelle degli stati solido e liquido, sono
propri di due classi di materiali i cristalli plastici ed i cristalli
liquidi. primi sono completamente ordinati nello spazio ma
non hanno alcun ordine orientazionale, i secondi danno luogo
a diverse fasi intermedie (o mesofasi), caratterizzate da diversi
tipi di ordine spaziale ma che comunque hanno sempre un
ordine orientazionale a lungo raggio. E’ proprio l’ ordine
orientazionale a lungo raggio all’ origine della caratteristica
che ha reso i cristalli liquidi utili per tante applicazioni
tecnologiche : l’ anisotropia di praticamente tutte le loro
grandezze fisiche. Cosideriamo una delle grandezze fisiche
che caratterizzano un materiale, ad esempio l’ indice di
rifrazione n o la resistività elettrica . Nei materiali più
comuni, come il vetro o l’ aria, queste grandezze sono
esprimibili mediante un valore numerico (n = 1.3 o  = 1.2
M/cm), quindi sono delle grandezze scalari.
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• Nei materiali anisotropi, come alcuni solidi e i cristalli liquidi, il
valore che la grandezza assume cambia a seconda della direzione
lungo la quale essa viene misurata. E’ evidente che per esprimere
questa grandezza sono necessari diversi valori numerici (almeno 3),
diremo allora che la grandezza fisica ha caratteristica tensoriale. I
cristalli liquidi oltre ad essere dei materiali anisotropi sono anche dei
liquidi, cosicché reagiscono a degli stimoli esterni, elettrici magnetici
o meccanici, orientandosi in maniera da rendere minima la
perturbazione ; questo cambiamento dell’ orientazione del materiale si
riflette in un cambiamento di tutte le altre proprietà fisiche, ad
esempio quelle ottiche, per esempio è possibile orientare un cristallo
liquido mediante un campo elettrico esterno sufficientemente intenso
ponendolo tra le armature di un condensatore piano e, se le armature
del condensatore sono trasparenti influenzare la propagazione di un
raggio luminoso attraverso di esso. Questo è il principio di
funzionamento dei displays a cristallo liquido più semplici, per ora
tralasciamo l’ aspetto applicativo, che verrà trattato più avanti ed
interessiamoci delle proprietà fisiche di questi materiali.
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CRISTALLI LIQUIDI da dove?
• La forma non è sufficiente ad assicurare una o più
mesofasi ma è necessario che anche le forze di interazione
tra le molecole siano anisotrope.
• molecole con simmetria cilindrica , parallelepipeda,
• molecole straordinariamente lunghe ( polimeri, ossia
catene costituite dalla ripetizione di un’ unità fondamentale
detta monomero)
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CRISTALLI LIQUIDI: famiglie
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Invece di T si può cambiare U?
• Alcune mesofasi possono essere ottenute in soluzioni di amfifili e
polipeptidi all’ aumentare della concentrazione del soluto, poichè ad
es. l’ ambiente attorno alla parte polare dell’ anfifile è cambiato dalla
presenza del solvente. Consideriamo il caso di un lipide in acqua: l’
acqua si mescola unicamente ai gruppi polari che costituiscono la testa
delle molecole del lipide e che si trovano nel mezzo degli strati
bimolecolari che compongono il materiale lipidico. A causa dell’
effetto di penetrazione dell’ acqua la struttura del lipide viene
intercanalata e divelta fino a costituire una struttura stratificata con l’
acqua che inframezza un doppio strato di molecole lipidiche. Quando
la quantità di acqua è sufficiente a creare dei canali attraverso i quali
si abbia un libero flusso del liquido, la struttura cristallina solida del
lipide transisce ad una mesofase stratificata lamellare di tipo smettico,
però perchè sia possibile il fenomeno della penetrazione è necessario
che la temperatura ecceda un valore minimo Tpen caratteristico della
sostanza.
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• Lo studio dei sistemi liotropici è di notevole importanza per la
comprensione dei sistemi biologici, infatti la membrana delle cellule
che formano la materia vivente è costituita da amfifili e polipeptidi.
Sistemi amfifili sono anche i saponi, cosicchè i sistemi liotropici
trovano applicazione nell’ industria chimica e cosmetica. Ultimamente
si è cominciata a studiare la possibilità di utilizzare dei liotropici per
un migliore sfruttamento dei pozzi petroliferi. Si è infatti stimato che
almeno il 30% del petrolio di un giacimento non può essere estratto
perchè infiltrato nel terreno, l’ impiego dei liotropici per il lavaggio
dei pozzi petroliferi esauriti e la successiva separazione del greggio
dalle molecole amfifili renderebbe possibile l’ estrazione del petrolio
residuo.
• A causa della mutua attrazione tra le loro code lipofili e della
attrazione tra le loro teste polari ed il solvente, in un sistema binario
costituito da un anfifile e da un solvente polare, le molecole anfifili si
aggregano in gruppi costituendo degli aggregati chiamati micelle.
Questi aggregati possono dare luogo a delle fasi liquido cristalline la
struttura delle quali è definita in maniera principale dalle interazioni
esistenti tra le teste porali. Viceversa le catene idrocarboniche molto
flessibili e disordinate contribuiscono all’ aspetto liquido del sistema.
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Propriet à elet t ro- ot t ich e
dei crist alli liqu idi

D I SPLAY
( an n i 6 0 )
I Nematici (CLN)
Caratteristiche:
n : direttore, direzione di
allineamento molecolare comune
• liquidi anisotropi:
– anisotropia dielettrica: a
– anisotropia ottica:
• liquidi elastici:
 ||   
n  ne  no
– costante elastica: K
[Energia/Lunghezza]
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Interazioni del CLN col campo elettrico
Densità di energia
2
a
2
f E   ( E  n)    a E cos2 
8
8
E
n

Transizione di Freedericksz
d
E 0
E =0
Ce
Eth 

4K
d
a
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n
Cf
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Classificazione degli attuali LCD
• Matrice passiva (MPX-LCD):
bassa risoluzione e basso costo
• Matrice attiva (AM-LCD):
alta risoluzione ma molto costosi perché ad ogni
pixel è associato un transistor depositato sul vetro
dello schermo
• Display innovativi : SBiND
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Display innovativi: SBiND
Principio di funzionamento:
• Presenta due stati stabili ed otticamente distinti
in assenza del campo elettrico esterno.
• La bistabilità è una proprietà intrinseca del pixel
ed è controllata da E.
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SBiND
Vetro B
Vetro A
Vetro B
Regione di
discontinuità
Vetro A
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Cella sperimentale pronta per le misurazioni
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H
H
V
Va
V


t
t
-Va
T
T
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Tradizione ed innovazione
TN-STN LCD
monostabili
SBiND
bistabili
fE  E2
fE  E, E2
riorientazione di rottura di ancoraggio
volume
in superficie
 1 –10 ms
 10 –100 s
D  d (si
richiede lungo)
D  d (si richiede
corto)
2
2
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Reticolo olografico a cristalli liquidi
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ORGANIC LASERS mirrorless a
feeback distribuito
The microcavity laser array will be realized by embedding dye
doped helixed liquid crystals in light sculptured polymeric
microchannels in a single step process. Each microchannel behaves
as a “mirrorless” optical cavity with a very high gain factor.
250
125
0
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Switchable collinear notch filter
Description:
The Bragg reflection filter will be realised by introducing a POLICRYPS
reflection grating between two consequent parts of a linear planar
waveguide.
Satisfying the Bragg conditions it is possible to obtain wavelength filter
with a stop-band narrower than 1 nm.
Switchable notch filter in planar optical waveguides. Can be used in all
cases in which a particular
to be filtered with a narrow
Softwavelength
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stop-band (telecom ...).
GOCCIA DI CL
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SOFT MATTER e poi?
Campo di ricerca intrinsecamente interdisciplinare e
multidisciplinare Fisica-chimica-materiali-matematica-biologiaelettronica-telecom
Campo di applicazione di nanoscienze e che da risultati nelle
nanotecnologie
Ricerca di base ed applicazioni
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