Nella membrana di ogni cellula del nostro corpo e nel display di ogni orologio digitale, calcolatrice tascabile e computer laptop sono presenti sostanze peculiari denominate cristalli liquidi. Queste sostanze fluiscono come liquidi, ma, come i solidi cristallini, sono impacchettati con un altro grado di ordine (con massimo numero di coordinazione pari a 12 e coefficiente di impacchettamento pari a 0,74).

Quando, nel 1888, il botanico Friederich Reinitzer scoprì quella famiglia di composti che oggi viene chiamata dei cristalli liquidi, sicuramente non aveva idea dell’impatto che la sua scoperta avrebbe avuto su un’infinità di applicazioni

Proprietà, preparazione e tipi di cristalli liquidi

Per comprendere le proprietà dei cristalli liquidi, prima esaminiamo come le particelle sono ordinate nei tre stati fisici comuni e come questo ordine influenza le loro proprietà.

Il grado di ordine tra le particelle distingue chiaramente i solidi cristallini dai gas e dai liquidi: i gas sono privi di ordine e i liquidi ne hanno poco più.

Sia i gas sia i liquidi sono considerati isotropi, cioè la loro proprietà fisiche sono le stesse in ogni direzione entro la fase.

Per esempio, la viscosità di una gas o di un liquido è la stessa indipendentemente dalla direzione. Anche i vetri e gli altri solidi amorfi sono isotropi essendo privi di una struttura reticolare regolare.

I solidi cristallini, per contro, hanno un alto grado di ordine tra le loro particelle.

Le proprietà di un cristallo dipendono dalla direzione e quindi un cristallo è anisotropo (L’anisotropia è la proprietà per la quale un determinato ente fisico ha caratteristiche che dipendono dalla direzione lungo la quale vengono considerate).

Innanzitutto osserviamo che l’anisotropia molecolare è necessariamente legata ad una geometria  sufficientemente lontana da quella sferica; i cristalli liquidi perciò si presentano con varie “forme”, tra le quali quella più utilizzata nei display, somigliante ad un bastoncino. Una tale geometria porta con sé l’esistenza di una direzione privilegiata, coincidente con quella dell’asse maggiore della struttura, e da questa proprietà segue la possibilità di un livello di ordinamento ulteriore, detto orientazionale, che si aggiunge a quello caratteristico dei cristalli che, detto posizionale, fa riferimento alla reciproca disposizione delle singole molecole ma non al loro orientamento nello spazio.

Per esempio, le facce di un diamante tagliato si originano perché il cristallo si rompe in una direzione più facilmente che in un’altra. Anche i cristalli liquidi sono anisotropi in quanto parecchie proprietà fisiche, comprendenti le proprietà elettriche e ottiche che ne determinano le più importanti applicazioni, differiscono con la direzione attraverso la fase.

Come i solidi molecolari cristallini, le fasi liquido-cristalline sono costituite da molecole individuali.

Nella maggior parte dei casi, le molecole che formano le fasi liquido–cristalline hanno due caratteristiche: una forma cilindrica lunga e una struttura che permette attrazioni intermolecolari mediante forze di dispersione e forse dipolo–dipolo o forze di legame idrogeno, ma che impedisce l’impacchettamento cristallino perfetto.

Le fasi liquido-cristalline si possono originare in due modi generali e, talvolta, entrambi i modi possono essere presenti nella stessa sostanza. Una fase termotropica si sviluppa per effetto di una variazione di temperatura. Quando si riscalda in solido cristallino, le molecole abbandonano i loro siti reticolari, ma le interazioni intermolecolari sono ancora forti da mantenere le molecole allineate l’una con l’altra lungo i loro assi maggiori.

Osserviamo innanzitutto che, come è ragionevole attendersi, quanto più alta è la temperatura tanto più disordinato è il sistema e tanto più forte è il suo carattere di liquido: partendo dalla fase liquida completamente disordinata, al diminuire della temperatura si incontrano dapprima la fase “nematica” (quella in cui si trovano i cristalli liquidi utilizzati nei display), nella quale in assenza di ordine posizionale le molecole raggiungono uno stato di parziale ordine orientazionale e dunque definiscono una direzione speciale, seguita poi dalle diverse fasi “smettiche”, nelle quali si instaurano anche vari gradi di ordine posizionale, per arrivare, infine, alla fase solida, cristallina e pertanto completamente ordinata D.

Come qualsiasi altra fase , la fase liquido-cristallina ha temperature di transizione nette; però, esiste in un intervallo di temperature relativamente stretto. Un ulteriore riscaldamento fornisce alle molecole energia cinetica sufficiente per diventare disordinate, come in un liquido normale. L’intervallo di temperatura tipico delle fasi liquido-cristalline delle sostanze pure si estende da 1 °C fino a 10 °C, ma il mescolamento delle fasi di due o più sostanze è in grado di estendere ampiamente questo intervallo. Per questo motivo, le fasi liquido-cristalline impiegate nei display, come pure quelle presenti nelle membrane cellulari, sono costituite da miscele di molecole.

Orientamento e vari tipi di ordine

Mesofase nematica

L’aspetto di un campione liquido-cristallino nematico al microscopio ottico con filtri polarizzatori incrociati ricorda un insieme di fili.
I cristalli liquidi in fase N sono fluidi come i liquidi isotropi, ed i centri di massa delle molecole sono ripartiti senza ordine nello spazio, ma è presente una direzione preferenziale di orientamento delle molecole stesse.

Mesofase colesterica

Una mesofase colesterica formata da una molecola chirale assume un orientamento ad elica chiamata colesterica (Ch) dato che fu osservata per prima nei derivati del colesterolo. Il passo dell’elica varia al variare della temperatura, e le mesofasi colesteriche sono in grado di diffrangere la luce che ha una lunghezza d’onda pari alla lunghezza del passo. Al variare della temperatura si nota quindi una variazione di colore del cristallo liquido.

Mesofasi smectiche stratificate

Come nel caso della fase nematica, nelle mesofasi smettiche gli assi lunghi sono orientati preferenzialmente nella stessa direzione. A questo ordine orientazionale si aggiunge un ordine posizionale mono o bi-dimensionale dovuto al fatto che in queste fasi le molecole si organizzano in strati.

Applicazioni dei cristalli liquidi

La capacità di controllare l’orientamento delle molecole in un cristallo liquido permette di produrre materiali con alta resistenza meccanica o con proprietà ottiche pecuriali.

Nell’attuale mercato dei beni di consumo gli LCD (Display a Cristali Liquidi) sono impiegati in orologi, calcolatrici e computer.

Il funzionamento di tutti questi dispositivi si basa su variazioni dell’orientamento molecolare in un campo elettrico esterno.

Vediamo uno schema del display più tipico: display nematico chirale.
Un primo piano del “2” su un LCD di orologio da polso mostra due polarizzatori che racchiudono due lamine di vetro, che racchiudono a loro volta uno strato liquido–cristallino, il tutto applicato su uno specchio. Quando onde luminose orientate in tutte le direzione entrano nel primo polarizzatore, soltanto le onde orientate in una particolare direzione escono dal filtro per entrare nello strato liquido–cristallino. Un ingrandimento di una regione oscuro del numero (ingrandimento superiore) mostra che, quando la corrente è “accesa“, le molecole liquido cristalline sono allineate e la luce non piò attraversare l’altro polarizzatore e arrivare allo specchio; quindi l’osservatore non vede luce. L’ingrandimento di una regione luminosa (ingrandimento inferiore) mostra che, quando la corrente è “spenta“, le molecole liquido–cristalline sono in una disposizione nematica chirale (elicoidale) che fa ruotare il piano delle onde luminose e permette loro di attraversa l’altro polarizzatore e raggiungere lo specchio. La luce, riflettendosi e ripercorrendo questo cammino (non rappresentato), raggiunge l’occhio dell’osservatore.

Quindi la fase liquido–cristallina è costituita da strati di fasi nematiche racchiuse tra sottili lamine di vetro che incorporano elettrodi trasparenti. Mediante uno speciale processo di rivestimento, l’asse molecolare maggiore è diretto parallelamente al piano delle lamine di vetro.

La distanza tra le lamine è scelta in modo che l’asse molecolare in ciascuno strato successivo ruoti di 90° gradi rispetto a quello sulla lamina superiore. Al di sopra e al di sotto di questo “sandwich” vi sono filtri polarizzatori sottili (come quelli impiegati nelle lenti polaroid o nei filtri fotografici), che lasciano passare soltanto le onde luminose orientate in una particolare direzione. I filtri sono collocati in una disposizione “incrociata“, affinchè la luce che attraversa il filtro superiore debba ruotare di 90° gradi per attraversare il filtro inferiore.

L’orientamento e e le proprietà ottiche delle molecole fanno ruotare l’orientamento della luce esattamente di questo angolo.

L’intero complesso di filtri, lamine e fase liquido-cristallina è disposto su uno specchio.

Una corrente generata dalla batteria dell’orologio controlla l’orientamento delle molecole nella fase. Quando la corrente è “accesa” in una regione del display, le molecole si orientano verso il campo impedendo così alla luce di attraversare il filtro inferiore e quindi questa regione appare scura.

La luce che passa attraverso il polarizzatore di ingresso trova le molecole di cristallo liquido allineate con la direzione di vibrazione del campo e, dato che questa è la direzione di uno dei modi normali, passa senza attenuazione semplicemente variando la direzione della propria polarizzazione: la ‘pila’ di molecole si comporta come una guida d’onda. Arrivata all’orientatore opposto, la luce trova di nuovo un allineamento favorevole con le molecole e dunque può uscire verso l’osservatore.

Quando la corrente è “spenta” in un’altra regione, la luce attraversa le molecole e il filtro inferiore raggiungendo lo specchio che la riflette a ritroso, e quindi questa regione appare luminosa.

Prima che il campo elettrico sia applicato, la luce può passare attraverso l’intera struttura e, a parte la porzione di luce assorbita dai polarizzatori, l’apparecchio risulta trasparente. Quando il campo elettrico viene attivato le molecole del liquido si allineano parallelamente al campo elettrico, limitando la rotazione della luce entrante. Se i cristalli sono completamente allineati col campo, la luce che vi passa attraverso è polarizzata perpendicolarmente al secondo polarizzatore, e viene quindi bloccata del tutto facendo apparire il pixel non illuminato. Controllando la rotazione dei cristalli liquidi in ogni pixel, si può dunque regolare la quantità di luce che può passare. Si noti però che in questo modo un pixel guasto apparirà sempre illuminato. In realtà alcuni tipi di pannelli funzionano all’opposto, cioè sono trasparenti quando accesi e opachi quando spenti per cui un pixel guasto resta sempre “spento”.

A questo punto resta da capire come si fa ad interrompere la propagazione del campo elettrico nel cristallo liquido. Il metodo è molto semplice e si basa sul fatto che i cristalli liquidi possiedono un momento di dipolo indotto, ovvero permanente, e sono dunque sensibili alla presenza di un campo elettrico costante, al quale reagiscono allineandosi nella sua direzione.

A differenza dei monitor CRT, i monitor LCD non possono illuminarsi da soli e quindi richiedono una fonte di luce: la retroilluminazione. Questa retroilluminazione è più frequentemente costituita dai noti LED che stanno per diodi emettitori di luce.

Gli elettrodi sono i fattori di controllo del comportamento dei cristalli liquidi e quindi anche del comportamento della luce. Conducendo o non conducendo una corrente nello strato di cristallo, la luce può o meno essere in grado di passare attraverso i cristalli liquidi in modo tale da consentire il passaggio attraverso il polarizzatore. A causa di questo ruolo, gli elettrodi negli LCD sono spesso realizzati in ossido di indio e stagno (ITO). ITO ha buone proprietà conduttive e può anche creare un elettrodo trasparente che è essenziale per l’aspetto dei display oggi.

Il modo in cui gli elettrodi influenzano l’allineamento dei cristalli liquidi può variare a seconda del metodo di allineamento utilizzato (nematic intrecciati, multi-dominio, commutazione nel piano

Nonostante questi diversi metodi di allineamento, lo scopo dello strato di cristalli liquidi rimane lo stesso: polarizzare la luce in modo che la luce polarizzata passi attraverso la superficie del display. Polarizzando la luce trasmessa dalla retroilluminazione, le molecole di cristalli liquidi giocano un ruolo nella quantità di luce che passa attraverso i filtri polarizzatori, che sia tutta, nessuna o una quantità parziale.

Link utili

• Arduino UNO R3
• Elegoo UNO R3
• Arduino Starter Kit per principianti
• Elegoo Advanced Starter Kit
• Arduino Nano