martedì 5 gennaio 2016

I Cristalli Liquidi

Ciao a tutti amanti della fisica!
Negli ultimi anni la tecnologia a cristalli liquidi ha fatto la sua comparsa nella nostra quotidianità. Gli schermi LCD (Liquid Crystal Dispaly) hanno rapidamente soppiantato i loro antenati a tubo catodico, affiancati dai display al plasma. Televisori, computer, smartphone,... in effetti siamo circondati da cristalli liquidi, oltre che da laser. Ma come possono dei cristalli, solidi per antonomasia, essere anche liquidi? Che tipo di struttura potrebbero formare? Come funzionano? Facciamo un po' di chiarezza!



Cosa sono i Cristalli Liquidi?

 La maggior parte delle sostanze passano molto rapidamente dallo stato liquido allo stato solido e viceversa in condizioni adatte. Da ciò consegue che non abbiamo esperienza diretta di sostanze contemporaneamente solide e liquide.

Qui viene ben evidenziato il passaggio attraverso la mesofase
 Esistono però alcuni composti che non passano direttamente dallo stato solido a quello liquido (e viceversa), ma che attraversano una fase intermedia in cui presentano sia caratteristiche solide che liquide. Chiamiamo questa fase liquido-cristallina mesofase, e sono proprio le sostanze che presentano questo comportamento a essere utilizzate per creare i cristalli liquidi. Ma quali caratteristiche dei solidi e quali dei liquidi si evidenziano in questa fase intermedia?

 Le sostanze che si trovano nella mesofase liquido-cristallina, detta anche fase LC, scorrono come se fossero fluide. Tuttavia, il comportamento delle singole molecole è ben diverso da quello delle normali particelle di un fluido. Le caratteristiche solide delle sostanze in fase LC sono diverse per ogni sostanza, ma alcune proprietà si riscontrano nella gran parte di esse:
  •  Le molecole hanno una forma allungata, e le fasi LC si formano più facilmente se le molecole sono piatte. Nei fluidi qualunque invece le molecole non hanno una forma preferenziale.
  • Talvolta le molecole presentano un dipolo elettrico, ovvero possono cambiare orientamento se esposte a un campo elettrico. Più precisamente, le singole molecole saranno spinte ad allinearsi col campo elettrico a cui sono esposte. Si tratta di un comportamento simile a quello dell'ago di una bussola, la cui orientazione può essere pilotata con una calamita *(ovviamente la similitudine è valida solo se si immagina che l'ago e la calamita interagiscano attraverso un campo elettrico anziché magnetico) . Questa caratteristica è molto importante, e sta alla base di tutta la tecnologia degli schermi LCD.
 Possiamo quindi immaginare che i liquidi cristallini siano formati da microscopici aghi. In alcuni cristalli liquidi questi aghi possono essere orientati a piacimento applicando un campo elettrico esterno.


Le fasi dei liquidi cristallini

 Ora che abbiamo capito come sono fatti i cristalli liquidi possiamo sbizzarrirci creando strutture particolari con le singole molecole e osservando come si comporta globalmente la sostanza. Concretamente questo può essere realizzato portando i cristalli liquidi a una certa temperatura (in tal caso si parla di cristalli termotropici) o sciogliendoli in un'altra sostanza (cristalli liotropici).

 Quando si crea una regolarità nella disposizione delle molecole del fluido cristallino viene definita una fase, che dipende dalla struttura microscopica che è stata data alla sostanza. Vale la pena di analizzare singolarmente alcune fasi interessanti:

  • Fase Isotropa. Si ottiene quando tutte le molecole del liquido cristallino puntano in direzione casuale, e non è particolarmente interessante.
  • Fase Nematica.
    La calcite non è un fluido cristallino, ma è un esempio di birifragenza
    Si tratta forse della fase più nota, e si ottiene quando tutte le molecole del liquido cristallino puntano nella stessa direzione. Quest'ordine orientazionale è molto forte, e genera interessanti conseguenze macroscopiche. Un esempio è che i cristalli liquidi in fase nematica sono birifrangenti, ossia due presentano due indici di rifrazione. Questo significa che la luce che penetra in un liquido cristallino nematico viene scomposta in due raggi.
  • Fase Smettica. Per certi versi simile alla fase nematica, nella fase smettica le molecole puntano tutte nella stessa direzione, ma tendono a raggrupparsi in strati. A causa della loro struttura, i cristalli liquidi smettici tendono ad essere più viscosi di quelli nematici, e si formano a temperatura più bassa. Infine, a seconda dell'orientazione delle molecole rispetto al piano degli strati è possibile identificare diversi tipi di fasi smettiche, ma non ci occuperemo di questo.
  • Fase Colesterica. La fase colesterica presenta un struttura più interessante, che ricorda una scala a chiocciola. Ad ogni "gradino" le molecole (che sono allineate tra loro) puntano nella stessa direzione, ma percorrendo la scala la direzione puntata cambia. La variazione nella direzione tra due gradini adiacenti può essere minima, ma considerando un gran numero di essi è possibile osservare una certa periodicità.
La Fase Colesterica è simile a una scala a chiocciola

 Come funziona uno schermo LCD?

  A questo punto abbiamo quasi tutti gli strumenti per intuire il principio di funzionamento degli schermi a cristalli liquidi. Prima di procedere è necessario riassumere brevemente il comportamento della luce polarizzata.

 Sappiamo che la luce non è altro che un'onda elettromagnetica. Ciò significa che è composta da un campo elettromagnetico oscillante. Per farla breve, la composizione della luce è ben rappresentata in quest'immagine:
Per adesso sarà sufficiente considerare il solo campo elettrico (in blu)
 Immaginiamo ora di far passare quest'onda (limitiamoci a considerare il campo elettrico) attraverso i denti di un pettine. E' evidente che l'onda li attraverserà insisturbata se il campo elettrico oscilla nel piano parallelo ai denti, e che invece non passerà per niente se oscilla nel piano perpendicolare ad essi. In generale però, il campo elettrico non oscillerà in nessuno di questi due piani. In tal caso solo una parte di esso **
riuscirà ad attraversare il pettine.

Le lenti polaroid sono dei filtri polarizzatori
 Si può in effetti effettuare quest'operazione adoperando un particolare filtro ottico chiamato polarizzatore, che svolge sostanzialmente la funzione del pettine. La luce che supera il filtro sarà composta solamente da campi elettrici che oscillano nel piano stabilito dal polarizzatore, ed è chiamata luce polarizzata

 E' importante notare che se si adagia un polarizzatore sopra un altro in modo che i "denti" dei due siano perpendicolari tra loro si ottiene una membrana che blocca totalmente la luce. Immaginiamo infatti di proiettare un fascio di luce sul primo dei due polarizzatori, ciò che avviene è questo:
  1. La luce viene filtrata, e solo la componente che oscilla nel piano stabilito dal primo filtro riesce a superarlo.
  2. La luce filtrata arriva al secondo polarizzatore ma non riesce a superarlo in quanto tutta la luce rimasta sta oscillando nel piano perpendicolare a quest'ultimo.
Se invece i due polarizzatori fossero stati paralleli, la luce filtrata non avrebbe trovato alcuna difficoltà a superare il secondo.

Ok, ma che c'entra questo con gli schermi a cristalli liquidi?

 Alla base di uno schermo LCD stanno proprio due polarizzatori perpendicolari fra loro. Tra di essi si trovano due piastre vetrose, tra le quali sono posti i cristalli liquidi. Le piastre e il loro contenuto sono suddivise in piccole cellette, che corrispondono ai pixel dello schermo. Ciascuna di queste celle è collegata a un circuito elettrico in grado di generare un campo elettrico all'interno del pixel corrispondente.

 In condizioni normali, la luce viene filtrata dal primo polarizzatore e raggiunge i cristalli liquidi, che si trovano in una sorta di fase colesterica. L'effetto di questi ultimi è sostanzialmente quello di torcere il raggio luminoso in modo da farlo oscillare esattamente nel piano del secondo polarizzatore. Di conseguenza, se tutto va bene, la luce riesce ad oltrepassare il secondo polarizzatore e il pixel corrispondente alla nostra celletta risulta illuminato.

 Se invece applichiamo un campo elettrico ai cristalli liquidi della celletta questi assumono immediatamente un'orientazione di tipo nematico, e non hanno più alcun effetto sul raggio luminoso. Di conseguenza, la luce arriva al secondo polarizzatore oscillando nel piano perpendicolare a quest'ultimo e non riesce quindi a oltrepassarlo. In breve, se il campo elettrico della celletta è acceso, il pixel corrispondente risulta spento.

 L'intero schema di funzionamento è ben riassunto qui:
A sinistra è rappresentata la situazione col campo elettrico spento, a destra invece è acceso
 Conclusioni

 Nelle ultime righe abbiamo scoperto come funzionano gli schermi LCD, ma per riuscirci abbiamo dovuto descrivere anche il comportamento della luce polarizzata e dei cristalli liquidi stessi. Nel complesso, è venuto fuori un articolo un po' più complicato della norma, ma mi auguro che questo non l'abbia reso meno comprensibile. Inoltre, molto probabilmente i cristalli liquidi fanno funzionare lo schermo su cui stai visualizzando quest'articolo, quindi che ne dici di mettere un like? Basta cliccare sul pulsante qui sotto!



Grazie per aver letto fin qui,

Giulio



Immagini tratte da:
http://gaianews.it/attualita/microgocce-di-cristalli-liquidi-utili-per-fotovoltaico-e-nanotecnologie-21354.html
http://www.vialattea.net/esperti/php/risposta.php?num=8296
http://www.sciencestorming.eu/index.php/2012-01-18-17-01-34/articoli-divulgativi/143-cambio-di-velocita
www.officinesandrini.it
www.versiliatoday.it 
www.otticaraimondi.it
http://slideplayer.it/slide/191984/

1 commento:

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