Fin dalle scuole elementari ci è stato insegnato che la materia può esistere sotto tre stati differenti: solido, liquido e aeriforme. Ciò è dovuto senz’altro ad una scelta di semplicità didattica che permette di sintetizzare il comportamento della materia in modo semplice e intuitivo. La realtà fisica è però ben diversa e a questi tre stati della materia se ne aggiungono altri con proprietà intermedie e altri con proprietà più esotiche di cui non parleremo.
Ad esempio un liquido puro a causa dal movimento frenetico delle particelle che lo compongono non tende a formare strutture ordinate (almeno a scale relativamente grandi) e ciò rende la sostanza isotropa, ovvero le sue proprietà fisiche e meccaniche non dipendono dalla particolare direzione da cui si guarda ma sono omogenee.
Di contro nei solidi gli atomi e le molecole tendono ad aggregarsi secondo schemi ripetitivi e dunque a formare strutture ordinate; tuttavia i vetri pur essendo solidi mostrano un grado di disordine simile a quello dei liquidi, ovvero gli atomi sono sparpagliati un po’ a caso e questo porta molti a considerarli come una fase con caratteristiche intermedie.
Un altro stato fisico della materia molto interessante e che ormai è onnipresente nelle applicazioni tecnologiche sono i cristalli liquidi. Se prima potevamo considerare i vetri come dei solidi con caratteristiche liquide, ora potremo pensare di interpretare questo stato della materia come un liquido con caratteristiche solide.
Essi furono scoperti dal botanico austriaco Friedrich Reinitzer nel 1888 in modo del tutto casuale, come avveniva per molte scoperte di allora. Lo studioso stava cercando di purificare il benzoato di colesterile da alcune piante per tentare di capire la funzione del colesterolo al loro interno.
Per fare questo, Reinitzer necessitava di separare il composto da tutte le impurezze, dunque scaldò la sostanza e tentò di ricavarne il punto di fusione. Ciò che notò fu uno strano fenomeno che sembrava portare ad una doppia fusione del composto. Ripetendo gli esperimenti e cercando di eliminare le possibili interferenze, si rese conto che il campione si comportava in modo differente da qualsiasi altro composto conosciuto fino ad allora. Quello che si osservava è che superati i 145,5 C° la sostanza da solida passava ad uno stato viscoso e lattiginoso e scaldando fino a 178,5 C° il fluido lattiginoso diventava trasparente. Non essendo in grado di giustificare tale comportamento inviò dei campioni al fisico tedesco Otto Lehmann che, osservando il campione al microscopio polarizzatore, si accorse della presenza di strutture cristalline che scorrevano le une sulle altre, che chiamò cristalli liquidi. Il motivo per cui lo stato intermedio tra i due punti di fusione appariva opaco può essere spiegato dalle proprietà stesse di questi materiali: infatti pur essendo liquidi hanno la capacità, come già detto, di organizzarsi in strutture, ovvero le particelle possono allinearsi lungo una direzione comune. Quando molte molecole si allineano lungo una certa direzione si viene a formare un “dominio” di particelle, e un cristallo liquido è proprio composto da molti domini di particelle ognuno allineato in una certa direzione che scorrono gli uni sugli altri. Tali domini hanno le dimensioni tipiche della lunghezza d’onda della luce visibile e dunque sparpagliano la luce incidente in ogni direzione così che ai nostri occhi il liquido appare opaco.
[Fig3. Immagine di una transizione di fase di un cristallo liquido.
Fonte: wikipedia.]
Dopo la scoperta, i cristalli liquidi furono pressoché ignorati per molto tempo, per la mancanza di applicazioni tecnologiche; ad oggi invece sono considerati materiali importantissimi e compaiono nei display di quasi ogni dispositivo tecnologico. Il motivo per cui sono così utilizzati nei display risiede proprio nella loro anisotropia. Attraverso l’induzione di un campo elettrico si può infatti modulare l’orientazione dei cristalli, e a seconda del grado di orientazione essi bloccano in misura differente il passaggio della luce polarizzata proveniente da una sorgente posta dietro di loro; in tal modo è possibile modulare la quantità di luce emessa da ogni pixel.
Nel corso del tempo sono stati sviluppati molti altri materiali che, a seconda dello stimolo ricevuto – calore, pressione, radiazione ecc. – possono modulare le proprie caratteristiche fisiche e meccaniche. Un’interessante tecnologia riguarda i cosiddetti elastomeri a cristalli liquidi, la cui struttura molecolare è simile a quella della gomma, ovvero composta da lunghe catene di molecole che possono scivolare le une sulle altre conferendo al materiale proprietà elastiche. Molecole come i cristalli liquidi sono attaccate a queste catene e attraverso stimoli esterni consentono al materiale di allineare o meno le catene conferendogli particolari proprietà meccaniche. In pratica questi materiali possono cambiare forma, colore e altre proprietà se sottoposti ad uno stimolo opportuno e, proprio per questa loro peculiarità, possono essere impiegati ad esempio nella biorobotica, per la costruzione di muscoli artificiali o nell’elettronica, per la costruzione di elettrodi flessibili.
Bibliografia:
-Valentina Domenici. Ordine, disordine e… La complessità del mondo parzialmente ordinato tra aspetti chimico-fisici e applicazioni tecnologiche.
– https://www.youtube.com/ watch?v=DO9OGHASM3k&feature=youtu.be
Simone Pistillo
Studente di Chimica Fisica presso l’università di Roma “La Sapienza” anche se da sempre porto avanti la passione per l’astronomia con l’obiettivo un giorno di congiungere le due cose. Nel tempo libero dedito alla fotografia di insetti e altri animali orripilanti, al tennis e soprattutto alla pasta. Tanta pasta
