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Abstract: Scoperta una nuova tecnica per frammentare i cristalli liquidi in piccolissime goccioline, “guidarli” in posizioni prestabilite e “riassemblarli” per formare gocce più grandi da utilizzare come microscopiche lenti ottiche.
Autori: Francesco Merola, Sara Coppola, Veronica Vespini, Simonetta Grilli, Pietro Ferraro.
Istituto Nazionale di Ottica del CNR, Via Campi Flegrei 34, 80078 Pozzuoli (NA).

Introduzione

Ordinati come un cristallo ma fluidi come un liquido: sono i cristalli liquidi, scoperti nel 1888 dal botanico austriaco Friedrich Reinitzer ^[1].

Queste sostanze, invece di passare direttamente dallo stato liquido a quello solido, in particolari condizioni sono in grado di organizzarsi in fasi intermedie (dette "mesofasi") che presentano caratteristiche sia dello stato liquido che di quello solido: ecco spiegato il motivo di questo termine apparentemente contraddittorio.

Le loro caratteristiche peculiari, quali ad esempio la possibilità di modificare la polarizzazione della luce in presenza di campi magnetici e/o elettrici, o la facoltà di cambiare colore al variare della temperatura, hanno permesso ai cristalli liquidi di trovare un larghissimo impiego per la costruzione di oggetti tecnologici di uso quotidiano. Basti pensare ai display a cristalli liquidi (LCD), che costituiscono la maggior parte dei televisori e monitor di Pc in commercio, ma impiegati anche nei cellulari, I-phone, I-Pad.

Fig.1

Figura 1: Ingrandimento sotto luce polarizzata di un cristallo liquido nematico - From Wikipedia, the free encyclopedia

Manipolare i cristalli liquidi

Ma quante e quali altre applicazioni tecnologiche si potrebbero trovare se si riuscissero a manipolare piccole quantità di queste sostanze? La nostra ricerca è partita proprio dall'idea di voler "manovrare" a piacimento piccole quantità di cristalli liquidi.

Per far ciò abbiamo depositato delle goccioline di cristallo liquido su un substrato di niobato di litio appositamente preparato e ricoperto con un particolare polimero (il Polidimetilsiloxano, o PDMS).

Diversamente dalle attuali applicazioni, nel nostro caso invece di applicare un campo elettrico dall'esterno sfruttiamo una variazione di temperatura per generare, per effetto piroelettrico ^[2], tale campo.

Questo si comporta come una specie di guida per le goccioline, che si muovono sul substrato come su delle autostrade invisibili, andandosi a posizionare in siti prestabiliti, a seconda della struttura del substrato. E’ altresì possibile partire da una situazione in cui gocce più grandi si frammentano in goccioline piccolissime, con un volume dell’ordine dei femto-litri (10^-15 litri), che poi si riaggregano per tornare a formare le gocce originarie o gocce di dimensioni intermedie, con una velocità che dipende da quanto è intensa la variazione di temperatura applicata (Merola et al., 2012).

Nessuno, fino ad ora, aveva mai pensato ad una tecnica del genere per manovrare i cristalli liquidi. Di solito, infatti, le tecniche utilizzate sono invasive, nel senso che c’è bisogno di trattare il materiale per rendere possibile l’applicazione di elettrodi o circuiti (Mugele et.al., 2005).

Questa tecnica innovativa è frutto di due anni di ricerca in cui è stata sperimentata anche su altri materiali, principalmente polimerici (Ferraro et al. 2010, Grilli et al. 2011).

Tutti questi fenomeni non possono essere osservati a occhio nudo, ma sono facilmente individuabili utilizzando un microscopio abbastanza potente.

Fig.2

Figura 2: Immagine al microscopio di una struttura polimerica (circa 100 micron, cioè 0.1mm) sulla quale le microgocce di cristallo liquido si sono assemblate seguendo dei percorsi invisibili (le linee del campo elettrico) generati termicamente (Merola et al., 2012).

Nei video seguenti sono rappresentati due esperimenti in cui si vedono le piccolissime goccioline di cristallo liquido che si dispongono in posizioni prestabilite (all’esterno o all’interno di strutture esagonali del substrato di niobato di litio) spinte dal campo elettrico generato termicamente.

Durante la transizione dalla fase liquida a quella intermedia (intorno ai 43°C), detta “nematica” nel caso in esame per il particolare tipo di cristallo liquido utilizzato, si riescono anche a vedere i “nema” (dal Greco=“fili”).

Video 1: Goccioline di cristallo liquido che si dispongono a forma di matrice per effetto piroelettrico (Merola et al., 2012). Durata video: 15 secondi

Video 2: Goccioline di cristallo liquido che si aggregano per effetto piroelettrico (Merola et al., 2012). Durata video: 13 secondi

Applicazioni tecnologiche

Questo nuovo approccio per manipolare i cristalli liquidi su un substrato attraverso uno stimolo termico può trovare molteplici applicazioni, come ad esempio la costruzione di un elemento ottico dinamico in grado di passare da uno stato "diffusore" (in cui le gocce sono frammentate), a uno stato in cui le goccioline si sono riassemblate per formare gocce più grandi che costituiscano una sorta di array di microlenti con focali variabili; esse sono utilizzabili ad esempio nelle macchine fotografiche per mettere a fuoco oggetti a diverse profondità contemporaneamente. Grazie al trattamento del substrato, poi, si può decidere quante microlenti generare e in quali posizioni disporle.

Fig.3

Figura 3: Immagine al microscopio di microlenti di cristalli liquidi (Merola et al., 2012). Ogni lente ha dimensioni di circa 20µm.

Questo particolare tipo di microlente potrebbe essere molto utile anche nel fotovoltaico. Una cella fotovoltaica converte l'energia solare in energia elettrica; le comuni celle fotovoltaiche hanno il grande inconveniente di catturare l'energia solare con una inclinazione fissata, a meno che non siano dotate di un sistema di movimento che permetta loro di seguire il Sole durante il suo movimento nel cielo, cosa però costosissima.

Una cella fotovoltaica costituita da piccolissime microlenti potrebbe evitare invece questo problema, in quanto la forma sferica della lente permetterebbe di catturare la luce solare da qualunque angolazione.

A rendere ancora più interessante tale possibilità contribuisce la particolarità del materiale, infatti poiché i cristalli liquidi passano da uno stato all'altro (solido-liquido) secondo un processo ad elevata flessibiltà e reversibile, tali microlenti potrebbero essere ingegnerizzate in modo da definirne un comportamento diverso in diverse condizioni.

Potrebbero rappresentare una nuova strada per il "fotovoltaico intelligente" offrendo una risposta diversa a seconda dell'eccitazione ottenuta tramite la radiazione solare.

In questo caso il campo elettrico, generato dalla stessa radiazione solare incidente, potrebbe controllare l'organizzazione delle microgocce, per cui a seconda dell'intensità della sorgente, e quindi della radiazione solare incidente (ovvero delle diverse ore del giorno), le microgocce sarebbero più o meno disperse.

Altre applicazioni possono trovarsi nella sensoristica e, date le ridotte dimensioni in gioco, nelle nano e biotecnologie.

Conclusioni

Abbiamo dunque proposto una nuova tecnica per frammentare, ri-assemblare e guidare piccolissime quantità di un materiale speciale e dalle grandissime potenzialità, il cristallo liquido.

Tale tecnica si basa semplicemente su uno stimolo termico del materiale, evitando l’applicazione di elettrodi complicati o circuiti ad alta tensione. Sta adesso alla fantasia e all’inventiva dei produttori di oggetti tecnologici (vedi Apple, Samsung, Sony, ecc.) mettere in pratica tali potenzialità.

Bibliografia:

Ferraro P., Coppola S., Grilli S., Paturzo M., Vespini V., Dispensing nano-pico droplets and liquid patterning by pyroelectrodynamic shooting, Nat. Nanotech., 2010, 5: 429.

Grilli S., Coppola S. , Vespini V., Merola F. , Finizio A., Ferraro P., 3D lithography by rapid curing of the liquid instabilities at nanoscale, Proc. Natl. Acad. Sci., 2011, 108: 15106 .

Merola F., Grilli S., Coppola S., Vespini V., De Nicola S., Maddalena P., Carfagna C. and Ferraro P., Reversible fragmentation and self-assembling of nematic liquid crystal droplets on functionalized pyroelectric substrates, Adv. Func. Mat., 2012, DOI: 10.1002/adfm.201200323.

Mugele F. and Baret J.-C., Electrowetting: from basics to applications, J. Phys. Condens. Matter, 2005, 17: R705–R774.

Sitografia:

[1] http://it.wikipedia.org/wiki/Cristalli_liquidi

[2] http://en.wikipedia.org/wiki/Pyroelectricity

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