La Fase Nematica: Fondamenti e Sviluppi Recenti

Approfondimento sulla Fase Nematica: Struttura e Sviluppi Recenti

La fase nematica, comunemente indicata con la lettera N, rappresenta la più semplice tra le mesofasi situate tra i cristalli e i liquidi isotropi. Le molecole nella fase nematica si orientano lungo i loro assi in modo unidimensionale, da cui deriva la denominazione greca “nematikos”, che significa filiforme.

Storia e Scoperta dei Cristalli Liquidi

I cristalli liquidi sono stati scoperti alla fine del XIX secolo dagli scienziati europei Friedrich Reinitzer e Otto Lehmann. Queste sostanze presentano caratteristiche cristalline quando in stato liquido. Nella fase nematica dei cristalli liquidi, si nota un’isotropia in proprietà ottiche, viscosità, suscettibilità magnetica ed elettrica, oltre che in conduttività termica ed elettrica.

Temperature Chiave nei Cristalli Liquidi

I cristalli liquidi possiedono due temperature principali: la temperatura di fusione e la temperatura di isotropizzazione. Nella prima, il materiale transita dalla fase solida a quella liquida, mantenendo una certa cristallinità. Nella seconda, il liquido anisotropo perde la sua struttura cristallina per diventare isotropo. La fase nematica si trova tra queste due temperature e comprende varie strutture, inclusa la fase smettica e colesterica.

Proprietà della Fase Nematica

Nel contesto della fase nematica, le molecole si allineano nella stessa direzione ma mantengono una rotazione e uno scorrimento relativamente liberi. Grazie a questa disposizione, la fase nematica esibisce una bassa viscosità e una elevata mobilità, simili ai liquidi isotropi, ma conserva un’isotropia delle proprietà fisiche grazie all’allineamento molecolare.

Parametro d’Ordine

Il parametro d’ordine S misura il grado di allineamento delle molecole rispetto al direttore nematico, un vettore unitario che rappresenta l’orientamento medio. Questo parametro è determinato tramite la formula: S = ½ (2Θ -1), considerando l’angolo tra l’asse lungo di una molecola e la direzione media dell’orientamento n.

Influenza della Temperatura

Le proprietà dei cristalli liquidi nematici sono influenzate dalla distribuzione angolare delle molecole, variabile con la temperatura. Al crescere della temperatura, l’ordine molecolare diminuisce fino a raggiungere una transizione di fase verso uno stato isotropo. In tale stato, le proprietà anisotrope vengono perse, e il cristallo liquido si comporta come un liquido ordinario.

Proprietà Anisotrope

Grazie al loro ordine di orientazione spontaneo, i cristalli liquidi nematici mostrano proprietà ottiche, elettriche e magnetiche anisotrope. Esibiscono una notevole birifrangenza ottica e un comportamento simile ai materiali diamagnetici anisotropi nelle proprietà magnetiche. Identicamente, la viscosità e la conduttività elettrica sono anisotrope.

Sottoclassi della Fase Nematica

La fase nematica si suddivide in due sottoclassi: uniassiale e biassiale. La fase uniassiale possiede un ordine a lunga distanza in una singola direzione preferenziale, mentre quella biassiale è caratterizzata da tre direttori ortogonali con tre diversi indici di rifrazione.

Applicazioni Tecnologiche

Un esempio significativo di molecola in fase nematica è il 4-pentil-4′-ciano bifenile, sintetizzato negli anni ’70. A temperatura ambiente, questa molecola, grazie al gruppo -CN che le conferisce un momento di dipolo elettrico elevato, è ideale per applicazioni optoelettroniche sensibili ai campi elettrici.

Conclusioni

In sintesi, i cristalli liquidi nematici, con le loro proprietà uniche, offrono potenziali applicazioni in diversi campi tecnologici e industriali. La loro struttura, costituita da cicli aromatici planari collegati da doppi legami coniugati, assicura la rigidità necessaria all’allineamento molecolare. L’aggiunta di gruppi laterali flessibili impedisce la cristallizzazione, mantenendo la mobilità.

Approfondimenti

Per un’analisi più approfondita delle strutture e proprietà dei cristalli liquidi nematici, puoi consultare ulteriori risorse

[qui](https://en.wikipedia.org/wiki/Nematic_phase)

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