stati intermedi della materia: mesofasi termotropiche e...
TRANSCRIPT
I cristalli liquidiSeminario tenuto dal prof Marco Fontana
Stati intermedi della materia: Mesofasi Termotropiche e
Liotropiche
Caratteristiche principali
•Materia “soffice”•Varie fasi caratterizzate da diversi tipi di ordine
orientazionale delle molecole•Struttura e morfologia molto sensibili a parametriesterni, quali temperatura, campi elettrici e magnetici,solventi, impurezze, pH etc
•Proprietà ottiche controllabili (birifrangenza, scattering,riflettanza)
•Valenza biologica•Transizioni di Fase: sistema paradigmatico
Tipiche Molecole5CB = pentilcianobifenile; PAA= paraazossianisolo
Tcn 119°C
Tni 135°C
Tcn 18°CTni 36°C
Il TBBA presenta moltetransizioni di fase
Abbassando la temperatura:•Isotropico/nematica 236°C•nematica/smettica A 198°C•Smettica A/smettica C 172°C•Smettica C/smettica G 144°C•Smettica G/smettica H 89°CQueste fasi di possono osservare con la microscopia
in luce polarizzata
Liotropici
• La mesofase si ottiene variando la concentrazione delle molecole nelsolvente (di solito acqua)
• Molecole anfifiliche
Laurato di sodio →
A concentrazioni elevate:
Doppio strato lipidico: componentefondamentale delle membrane biologiche
A concentrazioni elevate
Vescicola
Monostrato di Langmuir all’interfacciaAria-acqua
Applicazione principale:displays a cristallo liquido
Si usa una combinazione di effetti di birifrangenza edi campo elettrico applicato
La cella nematica “twisted”: base per i displays
Nella conf. A, luce passa: se la riflettiamo, il display sarà luminoso.Nella conf. B, niente luce, dunque il display sarà nero
L’ordine orientazionale• Simmetria cilindrica• Simmetria rispetto all’inversione del versore
nematico ŝ• Media sulle orientazioni a delle molecole rispetto a ŝ
• Funzione di distribuzione angolare f(θ,φ)• Meccanica statistica → Eq. Diffusione di
Smoluchowsky
Fasi e parametri d’ordine• Quantità che descrive l’ordine orientazionale delle molecole• Tensore del secondo rango; nel caso uniassiale, di ha: Sαβ = S(aαaβ -⅓δαβ); α, β = x,y,z→
• S = 1, tutte le molecole parallele a ŝ; S = 0, fase isotropica• Fase nematica: S = ½<3cos2 θ – 1>, dove la media è calcolata sulla
funzione f(θ,φ)• In generale, S è il secondo momento dello sviluppo di f(θ,φ) in serie
delle armoniche sferiche: Sαβ → Yℓ,m(θ, φ); per fase nematica uniassiale, ℓ=2, m=0 → P2(cos θ ) = polinomio di Legendre (simmetria cilindrica); potenziale di Maier-Saupe:
• Nella fase smettica, ordine lungo z → p = <cos2πz/d>,• Però non ordine a lungo raggio → G(r) ~ r-η , instabilità di Landau-
Peierls; nei liquidi semplici invece decadimento esponenziale• Smettici C: p.o. = χ = ωexp(i φ) → superfluidi quantistici
Ordine e dinamica: esperimenti
• Statica: misure dei parametri d’ordine: righe NMR, EPR, Raman e Fluorescenza depolarizzati;Struttura microscopica: diffrazione X e neutronica
• Dinamica: fluttuazioni orientazionali: Fourieranalisi di righe Raman e FTIR depolarizzate; NMR impusata, EPR, QENS.
• Moti diffusivi: QENS, SCP, NMR• Misure macroscopiche: rilassamento dielettrico,
suscettività diamagnetica, calorimentria, birifrangenza
Tipologia delle transizioni di fase• Primo ordine: fusione del cristallo: calore
latente, discontinuità grande del p.o.• Secondo ordine: transizione continua, p.o.
descresce fino a 0 (quando T=Tc)• Trans. N-I: “debolmente” del I ordine, effetti
pre- e post-transizionali• Smettico C-Smettico A: II ordine,
fluttuazioni critiche orientazionali
BIBLIOGRAFIACollings P.J., Liquid Crystals: Nature's Delicate State of Matter , Princeton (1990. )P.G. de Gennes, The Physics of Liquid Crystals, Oxford (1974)Brown + Wolken, Liquid Crystals and Biological StructuresNeedham, J. Order and Life, MIT Press, Cambridge, Mass. (1935)Blinov, L.M. Electro-optical and Magneto-optical Principles of Liquid Crystals, John Wiley and Sons, London, 1983.S. Chandrasekhar, Liquid Crystals