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NANOYOU Kit di Formazione sulle Nanotecnologie per Insegnanti di Studenti di età 14-18 anni (Modulo Esperimenti)
INFORMAZIONE PER GLI STUDENTI SULL’ ESPERIMENTO B: CRISTALLI LIQUIDI
I cristalli liquidi (CLs) sono un esempio di molecole auto-assemblanti sensibili a stimoli esterni, come la
temperatura, e che cambiano il modo in cui sono assemblate in conseguenza di una variazione di questo
stimolo. In questo esperimento vedrai come alcuni cristalli liquidi cambiano di colore quando la loro
temperatura viene cambiata. Imparerai due concetti fondamentali delle nanoscienze: (1) il modo in cui
un materia si comporta nel mondo macroscopico dipende dalla sua struttura nanoscopica; (2) i cristalli
liquidi sono molecole auto-assemblanti che si organizzano in strutture aventi specifiche proprietà
ottiche. Queste possono essere sfruttate per creare molti oggetti macroscopici, come schermi e
termometri.
In questo esperimento devi:
- preparare diversi combinazioni di cristalli liquidi che sono sensibili a diverse finestre di temperatura;
- creare vari film di cristalli liquidi e testarli usando un bagno ad acqua;
- creare un termometro a cristalli liquidi.
Questo documento ti fornisce le informazioni fondamentali per svolgere questo esperimento.
Cos’è un cristallo liquido?
Saprai probabilmente che la materia esiste in tre forme:
gassosa, liquida e solida. Un cristallo liquido è una
quarta forma della materia: ha proprietà che sono
intermedie tra quelle di un liquido e quelle di un solido.
Le molecole in un cristallo liquido possono muoversi
liberamente, come in un liquido, ma mantengono una
certa organizzazione, come in un cristallo (solido).
I cristalli liquidi sono materiali in parte
organizzati, in qualche modo in mezzo la loro
fase solida e liquida. Questo vuol dire che i
CLs hanno sia le proprietà di fluidità dei liquidi
convenzionali, con le interessanti proprietà
ottiche dei cristalli.
Figure 1. Rappresentazione schematica di un solido
(sinistra, le molecole sono ben organizzate); di un cristallo
liquido (centro: le molecole hanno un ordine a lunga
distanza) e di un liquido (destra: le molecole non hanno
alcun ordine). (Credito: Copyright IPSE Educational
Resources, University of Wisconsin Madison).
Le ricerche che hanno portato a questi risultati sono state finanziate dal Settimo Programma Framework della Comunità
Europea (FP7/2007-2013), contratto di concessione n° 233433
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L’ordine nei cristalli liquidi può essere manipolato usando una corrente elettrica o un campo magnetico.
La cosa interessante è che questo cambiamento può essere indotto da un cambiamento molto piccolo di
queste forze. Per esempio negli schermi a cristalli liquidi, le molecole vengono ri-orientate da piccole
variazioni di corrente.
I cristalli liquidi sono sensibili alla temperature nel senso che diventano solidi se fa molto freddo, e
liquidi se fa molto caldo. Questo fenomeno si può per esempio vedere negli schermi dei computer
portatili quando vengono raffreddati o scaldati eccessivamente.
Un cristallo liquido è un esempio di materia auto-assemblata.
I cristalli liquidi sono composti di molecole che hanno forma a bastoncino, a disco o tale da incoraggiarli
ad allinearsi collettivamente lungo una certa direzione. Assumono una struttura “auto-assemblata”.
Questo processo è guidato da informazioni che derivano dalle caratteristiche delle molecole e la
struttura finale che si forma è quella che minimizza l’energia libera del sistema. Il concetto di autoassemblaggio è la base dei processi biologici naturali, dove le molecole si auto-assemblano con
precisione nanometrica in complesse strutture. Alcuni esempi sono la doppia elica del DNA o la
formazione della membrana cellulare dai fosfolipidi.
Un cristallo liquido si forma per auto-organizzazione della materia in strutture ordinate chiamati fasi.
Una perturbazione esterna, anche se molto piccola, come un cambiamento della temperatura o del
campo magnetico, può indurre il cristallo liquido ad assemblarsi in modo diverso ed assumere un’altra
fase. Le differenti fasi possono essere distinte dalle loro differenti proprietà ottiche.
Figure 2. Esempio dell’ auto-assemblaggio di molecole
anisotropiche (i.e., simmetriche) in una fase di un
cristallo liquido. A sinistra: molecole tipo bastoncino
formano un liquido nematico, nel quale gli assi
sono
allineate
longitudinali
delle
molecole
parallelamente in una direzione comune (“direttrice”). A
destra: molecole a forma di disco (discotiche) si
organizzano una sopra l’altra (a formare una colonna),
sempre con gli assi longitudinali allineati parallelamente
verso una direttrice comune. La conseguenza di questa
organizzazione è che i cristalli liquidi hanno proprietà
fisiche anisotropiche, come i cristalli (Credito:
http://www.ipc.unistuttgart.de/~giesselm/AG_Giesselmann/Forschung/Flue
ssigkristalle/Fluessigkristalle.html).
Le ricerche che hanno portato a questi risultati sono state finanziate dal Settimo Programma Framework della Comunità
Europea (FP7/2007-2013), contratto di concessione n° 233433
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Ci sono cristalli liquidi naturali?
Sì! Molte forme di cristalli liquidi sono comuni tra i sistema naturali, per esempio le membrane cellulari,
molte proteine (come per esempio la proteina che i ragni rilasciano per generare la ragnatela), o alcuni
virus. Il sapone e’ un altro materiale che è effettivamente un cristallo liquido liotropico. Lo spessore
delle bolle di sapone determina il colore che riflettono.
Cristalli liquidi termotropici
In questo esperimento studierai e testerai un cristallo liquido termotropico (o
termosensibile). Questi tipi di cristalli liquidi rispondono ad un cambiamento di
temperatura con un cambiamento di colore. Man mano che la temperatura
aumenta, il colore del cristallo liquido cambia da arancione, a giallo, verde, blu
e viola. La variazione di colore è una diretta conseguenza del fatto che con
l’aumentare della temperatura cambia l’organizzazione delle molecole nel
cristallo liquido.
Come funziona? I cristalli liquidi sono composti di molecole che hanno forma a
bastoncino, a disco o tale da incoraggiarli ad allinearsi
collettivamente lungo una certa direzione ed ad assumere una
struttura molecolare in parte organizzata chiamata fase. Il tipo di
cristallo liquido che analizzi in questo esperimento è fatto di lunghe
molecole che tendono ad organizzarsi su strati che ruotano attorno
ad un asse, un po’ come i gradini in una scala a chioccia (una elica).
Questa fase si chiama fase chirale perché manca un piano di
simmetria. Questa fase è spesso chiamata fase colesterica perché
venne per la prima volta notata nei derivati del colesterolo.
Figura
3.
Schematica
rappresentazione di una fase
chirale in un cristallo liquido: la
fase chirale nematica (chiamata
anche fase colesterica) in un CL
Wiki
Commons,
(Credito:
Creative Commons Attribution
ShareAlike 3.0).
In ogni “gradino” della scala le molecole sono messe in un certo ordine, ma c’è un angolo preciso tra i
vari gradini. (Figura 4).
Le ricerche che hanno portato a questi risultati sono state finanziate dal Settimo Programma Framework della Comunità
Europea (FP7/2007-2013), contratto di concessione n° 233433
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Figure 4 (Sinistra): Schematica rappresentazione dei
“gradini” impilati ruotanti in una fase chirale di un CL
che formano una “scala a chioccia” avente passo p.
(Destra) Rappresentazione schematica del “passo” in
un CL chirale. (Credito: Wiki Commons, Creative
Commons Attribution ShareAlike 3.0)
Il passo chirale, p, si riferisce alla distanza sull’asse necessaria alle molecole per fare un giro completo di
360°. Quando la temperatura del cristallo liquido cambia, cambia anche il passo, il che porta ad eliche
più o meno attorcigliate.
Come si collega ciò al cambiamento di colore?
Quando la luce colpisce un cristallo liquido, parte della luce viene riflessa. Ciò che vediamo è la luce
riflessa. Il colore (ovvero la lunghezza d’onda) della luce riflessa dipende da quanto l’elica è attorcigliata.
Figure
5.
Rappresentazione
del
cambiamento del passo chirale in un CL
quando
la
temperature
viene
aumentata. (Credito: Image adapted
from IPSE Educational Resources (Liquid
crystals), University of Wisconsin
Madison).
Se il passo dell’elica del cristallo liquido è dello stesso ordine
di grandezza della lunghezza d’onda della luce (400-700 nm),
si osservono degli interessanti effetti di interferenza ottica. Il
colore della luce riflessa dipende dal passo nel cristallo
liquido, ovvero da quanto l’elica è più o meno attorcigliata.
Quando l’elica è molto attorcigliata, il passo è minore, e
pertanto riflette luci con lunghezze d’onda minori (zona blu
dello spettro elettromagnetico); quando il cristallo liquido è
meno attorcigliato, il passo è maggiore, e quindi riflette luci
con lunghezze d’onda maggiori (zona rossa dello spettro
elettromagnetico)
Un aumento della temperature porta ad una diminuzione del
passo, quindi aumentando la temperature di un cristallo
liquido ci si aspetta un cambiamento di colore dalla zona
rossa dello spettro elettromagnetico a quella blu, quindi da
arancione, a giallo, verde, blu e viola.
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IN COSA E’ “NANO”?
Le proprietà della materia macroscopica dipendono dalla sua struttura nanoscopica. Spesso i
cambiamenti della struttura molecolare (nanoscopica) di un materiale non sono visibili ad occhio nudo,
ma a volte si riflettono in un cambiamento macroscopico delle sue proprietà. I cristalli liquidi sono un
ottimo esempio, in particolare il tipo usato in questo esperimento, dato che le loro proprietà ottiche
(colore) cambiano visibilmente quando la temperatura del cristallo liquido viene cambiata. Nelle
nanotecnologie gli scienziati sfruttano le peculiari proprietà nanoscopiche della materia per creare nuovi
materiali e dispositivi.
I cristalli liquidi sono anche un esempio di materia auto-assemblata dove l’organizzazione spaziale delle
molecole può essere variata con degli stimoli esterni, come la temperature. Il concetto di autoassemblaggio è un altro concetto fondamentale delle nanotecnologie.
Applicazione dei cristalli liquidi
Il fatto che in alcuni cristalli liquidi ci sia una struttura chirale (con un passo chirale) fa sì che questi
materiali rispondano differentemente alla luce polarizzata. Questi materiali possono pertanto essere
usati come filtri di polarizzazione. I cristalli liquidi sono comunemente usati negli schermi dei telefonini,
macchine fotografiche digitali, computer portatili, ed altri prodotti di elettronica. In questi schermi, la
corrente elettrica induce un ri-orientamento delle molecole del cristallo liquido (che si orientano
paralleli al campo elettrico), e questo cambia il modo in cui polarizzano la luce che vi passa attraverso.
Alcuni tipi di cristalli liquidi sono anche usati nei termometri perché sono sensibili alle variazioni di
temperatura, e lo manifestano con un cambiamento di colore. Vengono anche usati nei sensori
microscopici per identificare alcune specie chimiche, campi elettrici o cambiamenti di temperatura.
Al momento i ricercatori stanno cercando dei modi per introdurre alcune nanoparticelle all’interno dei
cristalli liquidi per generare in essi delle nuove proprietà elettriche ed ottiche, per innovazioni nel campo
dei materiali fotovoltaici, guide ottiche, LED e sensori.
In questo esperimento costruirai un termometro da interni che potrai
usare durante l’anno per verificare la temperature della tua classe, o la
temperature esterna.
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