Cristalli liquidi dispersi in polimeri

I cristalli liquidi dispersi in polimeri (PDLC) sono materiali compositi utilizzati per una varietà di applicazioni che vanno dai display alle persiane luminose o ai vetri intelligenti.

Tali materiali sono costituiti da sottile film disomogeneo di goccioline cristalli liquidi nematici delle dimensioni di micron, disperse casualmente e incorporate in una matrice polimerica isotropica vetrosa.

Nel 1984 il chimico statunitense James Fergason introdusse per primo questi compositi che racchiudono le proprietà uniche dei cristalli liquidi rinforzati meccanicamente e strutturalmente dalla matrice polimerica.

La particolarità dei cristalli liquidi dispersi in polimeri è quella di diffondere quantità diverse di intensità di un raggio di luce incidente, a seconda dell’intensità di un campo elettrico esterno eventualmente applicato al sistema.

Infatti, regolando questo valore, un film di cristalli liquidi dispersi in polimeri dello spessore decine di µm può passare continuamente da uno stato altamente dispersivo e opaco, a uno trasparente.

Le molecole di cristalli liquidi nelle goccioline assumono una configurazione casuale che provoca la diffusione della luce.

Al contrario, quando è applicata una tensione, le molecole di cristalli liquidi sono orientate parallelamente al campo elettrico.

In questo stato, la luce viene trasmessa minimizzando la dispersione, poiché l’indice di rifrazione ordinario del cristallo liquido e l’indice di rifrazione del polimero sono quasi identici.

orientazione cristalli liquidi dispersi in polimeri 

Assume pertanto importanza la corretta selezione degli indici di rifrazione di una matrice polimerica e quella dei cristalli liquidi

Preparazione dei cristalli liquidi dispersi in polimeri 

I cristalli liquidi dispersi in polimeri sono preparati da miscele di cristalli liquidi nematici a basso peso molecolare che sotto forma di microgoccioline (0,5-1 µm) sono dispersi in film polimerici, come alcool polivinilico, polivinilacetato e copolimeri acrilici.

Si adottano principalmente due metodi ovvero la separazione di fase e l’incapsulamento.

Separazione di fase

Il metodo di separazione di fase inizia con una soluzione omogenea e isotropa di cristalli liquidi e polimero seguita dalla formazione di goccioline di cristalli liquidi nucleate e infine dalla solidificazione della matrice polimerica sperimentata.

La morfologia del film dipende dalla natura chimica dei costituenti e dalla cinetica dei processi che determinano la separazione di fase.

Metodo di incapsulamento

Il metodo di incapsulamento inizia con una soluzione non omogenea.

I cristalli liquidi sono dispersi mediante agitazione rapida come emulsione in una soluzione acquosa di un polimero che può formare film come il polivinilacetato.

Questa emulsione è depositata su un substrato conduttivo trasparente come una lastra di vetro ricoperta da un sottile film conduttivo, solitamente di 300-500 nm, di ossido di indio-stagno (ITO) depositato mediante spruzzamento catodico ed essiccata. Si ottengono migliaia di goccioline non uniformi, a volte interconnesse, circondate da uno strato solido di polimero.  Il principale vantaggio dell’ossido rispetto ad altri rivestimenti metallici risiede nella sua trasparenza e nella sua stabilità chimica

La dimensione di queste goccioline dipende dalla velocità e dal tempo di agitazione

Proprietà di diffusione della luce

A differenza dei tradizionali dispositivi a cristalli liquidi che si basano sulla birifrangenza, un dispositivo a cristalli liquidi dispersi in polimeri sfrutta gli effetti di diffusione della luce. Il tipico dispositivo PDLC può passare da uno stato trasparente a uno stato di diffusione della luce tramite il campo elettrico.

In assenza di un campo elettrico, le goccioline hanno orientazioni diverse. Se si applica una tensione, al di sopra della tensione di soglia la maggior parte delle goccioline è orientata lungo la direzione del campo elettrico applicato. Tuttavia la direzione preferenziale di allineamento delle goccioline che si trovano sull’interfaccia polimero-LC, sperimentando sufficienti forze di ancoraggio non si allineano lungo la direzione del campo elettrico applicato.

A un campo elettrico al di sopra della tensione di saturazione tutti i direttori si allineano lungo la direzione del campo elettrico. In tale situazione, la luce incontra solo l’indice di rifrazione ordinario dei cristalli liquidi, che è molto vicino quello del polimero. Pertanto, si osserva una pellicola chiara e trasparente a tensioni sufficientemente elevate.

La proprietà di diffusione della luce di un film PDLC dipende da molti parametri come la forma e le dimensioni delle goccioline LC, la configurazione delle goccioline, la densità delle goccioline, gli indici di rifrazione di LC e polimero, la lunghezza d’onda

 

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