Cambiamenti strutturali nelle interfacce

La fase in cristalli liquidi costituisce uno stato distinto della materia, intermedio tra quello solido (cristallino) e quello liquido. In corrispondenza di interfacce (ad esempio le superfici in cui le molecole assumono un ordine posizionale e orientazionale normalmente non presente) tutti i liquidi si dimostrano anisotropi. Poiché questo fenomeno risulta ancora più pronunciato nei cristalli liquidi, che pertanto rappresentano i sistemi ideali con cui studiare gli effetti di superfici o substrati. Inoltre, i cristalli liquidi sono ampiamente utilizzati nei semiconduttori organici, a causa delle loro proprietà elettriche e alla capacità di autoaggregarsi in film sottili.

I cristalli liquidi discotici (cristalli di molecole a forma di disco) sono un'interessante sottoclasse scoperta circa 30 anni fa. Le fasi generate nei film sottili di cristalli liquidi discotici in prossimità di superfici solide presentano un ordine tridimensionale (3D). La perturbazione del loro precario equilibrio termodinamico conduce a una fase liquido-cristallina massiva con ordine bidimensionale (2D).

Il progetto DISCO (“Substrate-induced phases of discotic liquid crystals”), finanziato dall'UE, si proponeva di caratterizzare la struttura e le proprietà termodinamiche che regolano tali fasi. I ricercatori hanno scelto un modello di sistema a cristalli liquidi discotici, dato che, a livello sperimentale, in tali tipi di sistema si osservano raramente fasi indotte da substrato.

Gli scienziati impegnati nel progetto hanno studiato la struttura e i cambiamenti strutturali connessi alle fasi indotte da substrato di film sottili di cristalli liquidi discotici, avvalendosi di diffrazione dei raggi X e microscopia a forza atomica. Hanno identificato una fase plastica dei cristalli tridimensionali colonnari tetragonali e hanno dimostrato che la sua formazione e la sua morfologia non dipendono dallo spessore dei film, bensì dal tempo. In risultati senza precedenti, la fase liquido-cristallina 2D si è convertita in una fase plastica cristallina 3D, a causa degli eventi di nucleazione eterogenea avviati dal substrato solido su una scala temporale di almeno un mese.

La nucleazione eterogenea, che implica la trasformazione di fase tra qualsiasi coppia di fasi in siti come i limiti di fase o le superfici, è molto più frequente della nucleazione omogenea. Svolge un ruolo nella produzione di molti materiali di interesse industriale, tra cui le sostanze farmaceutiche, gli additivi alimentari, le leghe metalliche e l'elettronica organica. Gli esiti di DISCO e la prosecuzione delle ricerche del team sugli effetti delle fasi indotte da substrato sulle proprietà dei materiali avranno quindi effetti di vasta portata sulla progettazione e la produzione di nuovi composti.