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Gruppo di
Fisica Molecolare
Dipartimento di Fisica

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Fisica Molecolare

Con il termine di cristalli liquidi (CL) indichiamo un gran numero di stati della materia molle condensata nei quali l’ordine orientazionale è associato ad un ordine posizionale ridotto o inesistente. Questi stati hanno quindi proprietà intermedie tra solidi e liquidi e, in particolare, dei primo possiedono l’anisotropia mentre hanno la fluidità dei secondi. Queste proprietà sono alla base delle loro numerose applicazioni tecnologiche, per esse infatti le fasi liquido-cristalline o mesofasi oltre ad avere peculiari proprietà ottiche sono anche facilmente orientabili mediante l’applicazione di campi elettrici e magnetici esterni.

Le molecole che costituiscono i CL sono generalmente organiche e di forma allungata, hanno la lunghezza di una ventina di Angstrom ed uno spessore 4-5 volte inferiore. Le proprietà macroscopiche di un volume di CL è fortemente influenzato dall’ordine tra le molecole il quale è funzione della temperatura. Le fasi più ordinate precedono in temperatura quelle meno ordinate. Per esempio, quella nematica è la prima mesofase che possiamo incontrare raffreddando un fluido isotropo, essa e caratterizzata dal solo ordine orientazionale. A temperature più basse incontriamo le fasi smettiche le quali oltre all’ordine orientazionale possiedono ordine posizionale in una dimensione, nel caso delle fasi smettiche A e C, o in due per ogni altra fase smettica.

L’orientazione molecolare della fase nematica è inizialmente fissata dalle superfici di contenimento del liquido ed è facilmente modificabile variando l’ampiezza di un campo elettrico esterno applicato. Per questo motivo, i nematici sono i materiali più usati per la costruzione degli schermi a cristallo liquido. I termini STN, CSTN, DSTN, HPA e TFT si riferiscono alle tecniche utilizzate per l’allineamento, lo schema ottico o per l’indirizzamento elettrico del dispositivo. Più di recente, è stato introdotto l’uso di materiali smettici di tipo C ferroelettrici per la produzione di dispositivi FLC e SSFLC, i quali superano le caratteristiche dei dispositivi a nematico soprattutto in velocità di risposta. Questi ultimi dispositivi sono però ancora troppo sensibili ad agenti esterni quali la temperatura e gli urti meccanici per consentirne un uso commerciale.

Sul finire degli anni settanta sono comparsi sul mercato i primi display a CL. Si trattava di piccoli dispositivi alfanumerici che utilizzavano la tecnologia di twisted nematico (TN). Per questi motivi e per il prezzo non proprio contenuto, hanno trovato applicazione in prodotti di livello superiore: nelle calcolatrici, negli orologi e nella strumentazione elettronica. I CL hanno ben presto soppiantato i dispositivi alfanumerici a scarica ed a led per merito delle maggiori durata ed affidabilità.

In un ventennio gli schermi a CL commerciali hanno raggiunto le dimensioni di 42 pollici e la capacità di visualizzare migliaia di colori con un contrasto, una nitidezza ed un campo visivo che nulla hanno da invidiare ai migliori schermi a raggi catodici (CRT) presenti in commercio, rispetto ai quali presentano però un consumo d’energia ed un livello di emissioni nocive inferiori oltre a richiedere uno spazio inferiore. Di pari passo con la loro diffusione anche il loro prezzo è diminuito, cosicché, almeno nel caso dei dispositivi da 13-15 pollici che sono i più utilizzati per i computer, gli schermi a CL cominciano ad essere competitivi.

Benché l’aspetto applicativo sia prevalente nelle attività che riguardano lo studio dei CL, essi sono un interessante campo di ricerca anche per la fisica fondamentale, sia a causa delle loro interessanti proprietà strutturali e dinamiche che come modelli di altri sistemi complessi che possono essere sottoposti ad osservazione con maggiore difficoltà. Per questo motivo, la ricerca nel campo dei Cl richiede competenze di diverse discipline scientifiche, in particolare di fisica, chimica ed elettronica, le quali più facilmente possono essere trovate in Centri di Ricerca. Il Center for Advanced Liquid Crystalline Optical Materials della Kent State University , il Ferroelectric Liquid Crystal Materials Research Center della Colorado State University, il Microtechnology Centre della Chalmers University di Goteborg sono i tre maggiori centri scientifici del mondo nel quale sia operante un nucleo di ricercatori nel campo dei cristalli liquidi; il primo di questi centri è addirittura completamente dedicato alla ricerca sui CL.

Anche all’Università della Calabria operano tre diversi gruppi, due di chimici ed uno di fisici, la cui attività di ricerca è prevalentemente finalizzata allo studio dei CL. Costituitosi più di venti anni fa, il gruppo di Fisica Molecolare ed Ottica ha sede nel cubo 33B del Dipartimento di Fisica conta, attualmente, circa 30 ricercatori, sette dei quali occupano una posizione permanente all’interno del Università. Per la ricerca di base ed applicativa è disponibile diversa strumentazione elettronica ed ottica, la quale può essere utilizzata per allestire su dei banchi ottici diverse tecniche sperimentali adatte allo studio dei CL; microscopia ottica in luce polarizzata, fotopolarimetria, spettroscopia a battimento di fotoni, interferometria laser, spettrofotometria UV-VIS-NIR e spettroscopia IR sono alcune delle tecniche sperimentali più utilizzate. In laboratorio sono inoltre disponibili alcune facility alla ricerca di particolare valore: una camera pulita (classe 100) con l’estensione di 200mq per la preparazione dei dispositivi elettro-ottici, un sistema di sputtering DC, un evaporatore, una vasca di Langmuir per la deposizione di film sottili (organici ed inorganici), un microscopio a forza atomica (AFM), un microscopio a scansione di campo vicino (SNOM), un ellissometro spettroscopico per la caratterizzazione dei substrati, un laser a colorante in grado di generare impulsi ultracorti (minori di 200 fs) ed un sistema Raman confocale.

Il gruppo di ricerca fa parte dell’INFM ed annovera collaborazioni internazionali e nazionali con diversi gruppi di ricerca Europei e Statunitensi e partner industriali tra i quali la Hewlett & Packard; queste collaborazioni presuppongono anche lo scambio di personale all’interno dei network europei Silcnet, Salcnet, Orchis e di un progetto Copernicus di scambio con i paesi dell’ex URSS. I progetti di ricerca applicativa finanziata in corso di svolgimento comprendono due progetti CIPE (su cristalli liquidi e materiali elettrocromici), un progetto di co-finanziamento MURST sui sistemi elettrocromici, un progetto PAIS-INFM sulla creazione di reticoli olografici mediante tecnica laser ed, infine, la creazione di un laboratorio prototipi nell’ambito del CALPARK.

Linee di ricerca di base Proprietà di superficie e dinamica dei cristalli liquidi Caratterizzazione strutturali e dinamiche di specie liquido cristalline, Sistemi dinamici non lineari in mezzi anisotropi Ottica in cristalli liquidi e materiali liquido cristallini Reticoli olografici in materiali liquido cristallini Materiali elettrocromici Linee di ricerca applicata Laboratorio scientifico-tecnologico di servizi per i cristalli liquidi Schermi innovativi a cristalli liquidi ed elettro-ottica applicata Memorie ottiche a cristalli liquidi Divulgazione scientifica: sperimentando