Cristalli liquidi: mesofasi, classificazione

I cristalli liquidi, la cui scoperta risale alla fine del XIX secolo ad opera di due scienziati europei, il tedesco Otto Lehmann e l’austriaco Friedrich Reinitzer, sono specie che, allo stato liquido, presentano una struttura cristallina ben evidenziata tramite un microscopio ottico.

Gli stati di aggregazione della materia abitualmente conosciuti sono:

1)      Fase solida cristallina caratterizzata da un ordine posizionale tridimensionale in cui le molecole o gli ioni sono disposti in un reticolo cristallino: la regolarità di tali cristalli è suffragata dalla presenza di picchi ben definiti negli spettri di diffrazione dei raggi X.

2)      Fase liquida isotropa, caratterizzata da un disordine posizionale delle molecole

3)      Fase gassosa isotropa caratterizzata da un disordine posizionale delle molecole e da distanze tra molecole maggiori rispetto alle dimensioni molecolari.

A questi stati di aggregazione va aggiunto lo stato vetroso isotropo caratterizzato da un liquido ad alta viscosità. Il passaggio da una fase all’altra avviene al variare della temperatura o della pressione in quello che viene definito passaggio di fase o passaggio di stato.

I cristalli liquidi sono utilizzati in tutti i tipi di dispositivi di visualizzazione, inclusi monitor di computer e schermi di laptop, TV, orologi, visiere e sistemi di navigazione e possono essere dispersi in polimeri (PDLC) possono essere applicati come rivestimento su finestre e display semplici.

Mesofasi

Solo verso la fine dell’Ottocento si è capito che sono possibili altri tipi di intermedi di fasi, dette mesofasi, aventi proprietà intermedie tra quelle dei cristalli e quelle dei liquidi isotropi.

Si trovò, infatti, che esistono sostanze organiche cristalline che quando fondono non passano direttamente allo stato di fase liquida isotropa, ma ad una o più fasi intermedie paracristalline (dette mesomorfe) che ad una temperatura più alta si trasformano in una fase liquida vera e propria.

Le sostanze che presentano un comportamento di questo tipo hanno in genere una struttura molecolare fortemente elongata e altamente polarizzabile per la presenza di uno o più anelli aromatici e di legami multipli –C=C- , -N=N-. Le molecole inoltre possiedono un momento dipolare permanente.

Le forze di coesione intermolecolari lungo l’asse maggiore della molecola sono molto più forti di quelle terminali (interazioni testa-coda) per cui si può verificare la transizione dalla fase solida e quindi cristallina a una o più fasi paracristalline o mesoforme prima di avere la completa distruzione del reticolo cristallino.

Categorie

Queste sostanze vengono usualmente dette cristalli liquidi e possono essere suddivise in tre categorie fondamentali:

Cristalli liquidi nematici

Essi sono più simili ai liquidi veri e propri dal momento che le molecole sono orientate in una particolare direzione solo in piccole regioni del liquido. I centri di gravità delle molecole in fase nematica  sono disposti casualmente nello spazio. Gli assi molecolari sono allineati, mediamente lungo una direzione comune individuata da un versore n detto direttore.

Gli assi maggiori molecolari sono orientati preferibilmente in una direzione. I  dipoli molecolari sono compensati, così questa mesofase è elettricamente neutra. I cristalli liquidi nematici hanno una viscosità relativamente bassa e possono essere deformati da forze esterne relativamente basse.

Cristalli liquidi smettici

Essi presentano molecole disposte l’una accanto all’altra con gli assi maggiori paralleli e formano una struttura a strati. Presentano la caratteristica di dar luogo a diffrazione di raggi X (ma a differenza dei solidi in una sola direzione).

I moti traslazionali avvengono per scivolamento di uno strato sull’altro. Le molecole si muovono liberamente all’interno di ciascuno strato come in un liquido. Tuttavia incontrano difficoltà nel passaggio da uno strato all’altro.

Vi è quindi presente nella struttura una periodicità spaziale lungo l’asse z perpendicolare agli strati e le molecole si orientano in direzione parallela all’asse normale individuata da un direttore n costituito appunto dall’asse z. esistono vari tipi di cristalli liquidi smettici tra cui gli smettici A e gli smettici C. Nei cristalli smettici A, le molecole risultano disposte in strati ortogonali all’asse molecolare.

Nei cristalli smettici C l’ordinamento molecolare mostra una struttura stratificata. In essa in l’asse molecolare lungo non è normale alla giacitura dei piani e l’angolo di inclinazione degli assi rispetto ai piani può essere funzione della temperatura

Cristalli liquidi colesterinici o colesterici

Essi presentano una struttura a strati: entro ciascuno strato le molecole sono orientate come nella fase nematica, ma la direzione di orientazione degli assi maggiori delle molecole è ruotata da strato a strato in modo da formare una struttura elicoidale.

I centri di gravità delle molecole sono distribuiti casualmente nello spazio come in un comune nematico. Tuttavia il direttore non è orientato uniformemente ma varia lungo una direzione z.

Il passo dell’elica varia al variare della temperatura per cui le mesofasi colesteriche sono in grado di diffrangere la luce che ha una lunghezza d’onda pari alla lunghezza del passo. Al variare della temperatura si verifica quindi una variazione di colore del cristallo liquido. Sulla base di questo fenomeno si è resa possibile la realizzazione di termometri a cristalli liquidi

Proprietà

I cristalli liquidi per riscaldamento danno luogo prima a un liquido anisotropo ad una temperatura detta temperatura di fusione. Successivamente, a seguito di ulteriore riscaldamento avviene il passaggio da liquido anisotropo a liquido isotropo ad una temperatura detta temperatura di isotropizzazione.

In genere i cristalli liquidi a seguito di riscaldamento danno prima a una o più fasi smettiche. Passano quindi a una fase nematica e, infine, alla fase liquida vera e propria. Tale fenomeno è osservabile da un termogramma effettuato con un calorimetro differenziale a scansione in cui si notano più picchi corrispondenti alle diverse temperature. Un tipico termogramma è mostrato in figura:

dove si nota il passaggio da solido a smettico C, da smettica C a smettico A, da smettico A a nematico ed infine a liquido