SOFT MATTER

1. FONDAZIONE http://www.SMFN.Unical.it/Fondazione Facoltà di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali Università della Calabria Calabria Scienza Oggi 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

2. 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. Soft matter Camigliatello 22/07/05

3. 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. Soft matter Camigliatello 22/07/05

4. 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 Soft matter Camigliatello 22/07/05

5. 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. Soft matter Camigliatello 22/07/05

6. 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 Soft matter Camigliatello 22/07/05

7. 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 Soft matter Camigliatello 22/07/05

8. 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. Soft matter Camigliatello 22/07/05

9. 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 Soft matter Camigliatello 22/07/05

10. CRISTALLI LIQUIDI ed altro Soft matter Camigliatello 22/07/05

11. 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. Soft matter Camigliatello 22/07/05

12. 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. Soft matter Camigliatello 22/07/05

13. 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) Soft matter Camigliatello 22/07/05

14. Soft matter Camigliatello 22/07/05

15. CRISTALLI LIQUIDI: famiglie Soft matter Camigliatello 22/07/05

16. 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. Soft matter Camigliatello 22/07/05

17. Soft matter Camigliatello 22/07/05

18. 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. Soft matter Camigliatello 22/07/05

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20. I Nematici (CLN) n : direttore, direzione di allineamento molecolarecomune • liquidianisotropi: • anisotropia dielettrica: • anisotropia ottica: • liquidielastici: • costante elastica: K [Energia/Lunghezza] Caratteristiche: Soft matter Camigliatello 22/07/05

21. Interazioni del CLN col campo elettrico Densità di energia Transizione di Freedericksz Soft matter Camigliatello 22/07/05

22. Soft matter Camigliatello 22/07/05

23. 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 Soft matter Camigliatello 22/07/05

24. 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. Soft matter Camigliatello 22/07/05

25. SBiND Soft matter Camigliatello 22/07/05

26. Cella sperimentale pronta per le misurazioni Soft matter Camigliatello 22/07/05

27. H H T T Soft matter Camigliatello 22/07/05

28. Tradizione ed innovazione Soft matter Camigliatello 22/07/05

29. Reticolo olografico a cristalli liquidi Soft matter Camigliatello 22/07/05

30. 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 Soft matter Camigliatello 22/07/05

31. Soft matter Camigliatello 22/07/05

32. 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 wavelength has to be filtered with a narrow stop-band (telecom ...). Soft matter Camigliatello 22/07/05

33. GOCCIA DI CL Soft matter Camigliatello 22/07/05

34. SOFT MATTER e poi? Campo di ricerca intrinsecamente interdisciplinare e multidisciplinare Fisica-chimica-materiali-matematica-biologia-elettronica-telecom Campo di applicazione di nanoscienze e che da risultati nelle nanotecnologie Ricerca di base ed applicazioni Soft matter Camigliatello 22/07/05

35. Soft matter Camigliatello 22/07/05

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38. Soft matter Camigliatello 22/07/05