RICERCA ITALIANA     

Elasticita' e Topologia in Cristalli Liquidi Nanodistorti e Nanoconfinati

Università degli Studi di Milano

Abstract

La spinta verso le nanoscienze ha interessato molte aree della fisica della materia, compresa la fisica dei cristalli liquidi (LC), risvegliando, in particolare, un rinnovato interesse per due argomenti fondamentali della ricerca nel campo dei LC: le loro interazioni con le superfici e la grande varieta' di difetti topologici che in essi possono essere presenti. Infatti, le proprieta' di superficie e la topologia, e quindi, in ultima istanza, le proprieta' di elasticita', sono problemi cruciali quando i LC sono nanoconfinati e quando sono affacciati a superfici nanostrutturate. La vitalita' della ricerca su questi temi e' chiaramente testimoniata da molte pubblicazioni ad alto livello, le quali anche rendono evidente che l'interesse per queste tematiche eccede la fisica specifica dei LC. Ecco qualche esempio: il comportamento dei LC su superfici strutturate [1], i LC come amplificatori della chimica di superficie [2], le forze elastiche esercitate da LC su nanofilamenti sospesi in essi [3], gli effetti dell'ordine superficiale sull'allineamento del CL [4], la distinzione fra transizione nematica "bulk" e di superficie [5], la ricostruzione d'ordine indotta da campi elettrici [6], le transizioni di fase in LC nanoconfinati [7]. L'auto-organizzazione dell'ordine liquido cristallino su scala nanoscopica, dove le semplici descrizioni nel modello del continuo raggiungono il limite della loro validita', coinvolge una serie di argomenti cruciali nella fisica della materia >>>

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Tommaso Giovanni BELLINI Università degli Studi di MILANO

Obiettivo del Programma di Ricerca

Elasticita' e topologia sono due tra i temi piu' studiati nella ricerca sui cristalli liquidi. Il loro nesso profondo con la simmetria dei LC e con le rotture di simmetria, ed il ruolo che hanno nella stabilita' della fasi dei LC, fanno di elasticita' e topologia temi di vivo interesse tanto ora come negli anni '60 [9]. Ad esempio, la bella imagine sulla copertina del numero di Science del 29 agoso 2003 si riferisce a una nuova fase di LC caratterizzata da una struttura modulata, la cui interpretazione si base su una combinazione di vincoli di simmetria (topologici) e risposta elastica ad una frustrazione di tipo elettrico [10]. Inoltre, elasticita' e topologia sono alla base del funzionamento dei display a LC. Infatti, la risposta elettro-ottica dei display LC si basa su trasformazioni configurazionali indotte da deboli campi elettrici E. Tipicamente, essendo l'anisotropia dielettrica dei nematici di segno positivo, il direttore uniassico, ovvero l'asse maggiore del tensore d'ordine nematico Q, si allinea nella direzione di E. Per campi deboli, il parametro d'ordine scalare rimane invariato: Q ruota ma l'ordine rimane uniassiale con i medesimi autovalori. Nella normalita' dei casi le condizioni di ancoraggio sulla superficie della cella sono fisse e le due configurazioni di equilibrio, in presenza ed in assenza di E, sono pertanto topologicamente equivalenti. Una conseguenza di tale equivalenza e' che non vi sono barriere energetiche tra i due stati: quando E viene spento >>>

Risultati parziali attesi

* Una relazione scientifica periodica ogni 12 mesi.
* Un incontro scientifico comune tra tutti i collaboratori.
* Relazione finale che chiarisca l'importanza scientifica e le valenze applicative conseguenti al controllo e manipolazione delle nanodistorsioni di CL.• Individuazione dei parametri importanti per la definizione delle procedure sperimentali per la deposizione dei film sottili in relazione al loro spessore e alle loro caratteristiche strutturali .
• Inizio dello studio dell'ancoraggio dei CL su diversi substrati nanostrutturati.
• Studio della generazione di carica elettrica su substrati sottoposti a trattamenti meccanici e caratterizzazione della loro influenza sull'ancoraggio dei CL.
• Osservazioni risolte nel tempo della ricostruzioned'ordine indotta elettricamente in nematici puri e influenza di differenti trattamenti di ancoraggio su questo effetto.
• Influenza del fenomeno della ricostruzione d'ordine sulle forze strutturali su scala nanoscopica.
• Verifica dell'approssimazione di Derjaguin's per il calcolo delle forze strutturali in un CL.* Definizione di un protocollo di preparazione per composti di LC Termo-Liotropici (TLLC) e per composti costituiti da LC nanostrutturati ospitanti gel di silice (LCSG). Saranno scelte le concentrazioni dei materiali adatte e le opportune procedure di miscelamento, controllando la stabilita' sul lungo periodo dei sistemi ottenuti e controllando l'omogeneita' dei campioni >>>

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Questo progetto si occupa, con approcci differenti, di elasticità e topologia in cristalli liquidi (LC) confinati e distorti su scala nanoscopica. La necessita' di nuovi sviluppi su questo tema si basa sul numero crescente di evidenze che il comportamento di LC su scala nanoscopica coinvolge un grande numero di nuovi fenomeni, non giustificabili da sempli estrapolazioni del comportamento di bulk. Ad esempio i LC, a causa del loro ordinamento spontaneo, mostrano proprietà interessanti quando usati nella produzione di materiali eterogenei 3D micro o nano-strutturati [15]. Per esempio e' stata osservata una grande suscettivita' elettroottica di LC confinati in matrici solide, nuove proprieta' termodinamiche di LC immersi in strutture solide disordinate (per esempio LC in aerogels di silice [7]), inaspettate forze interparticellari esercitate fra colloidi di dimensione micronica sospesi in LC (per esempio emulsioni di acqua in LC stabilizzate da tensioattivi [17]) ed infine evidenti differenze fra le transizioni di ordine superficiali e "bulk" [5].
Un punto cruciale, che emerge dalla letteratura, è che l'interfaccia LC-substrato non può pensarsi come ambiente bidimensionale, poichè le relative proprietà su scala nanoscopica nella terza dimensione sono fondamentali. Inoltre le proprietà di superficie e la topologia, e quindi l'elasticità, diventano cruciali quando il LC e' all'interfaccia di superfici nanostrutturate.

Lo stato dell'arte a livello >>>