Ricerche su cristalli liquidi: più efficienza con nuova tecnologia

Un articolo pubblicato su Nature Materials, risultato di una ricerca congiunta di Università Statale di Milano e delle Università giapponesi di Tokyo (prof. H. Tanaka) e di Kyoto (prof. T. Araki) dimostra una singolare proprietà derivante dall'integrazione di materiali solidi e liquidi: il "difetto" nella disposizione delle molecole dei materiali può essere sfruttato tecnologicamente per ridurre il consumo energetico nel funzionamento dei display a cristalli liquidi.

http://www.nature.com/nmat/journal/v10/n4/full/nmat2982.html

Lo sviluppo tecnologico è sempre andato di pari passo con la capacità di integrare materiali di tipo e natura diversi.

Un caso di particolare interesse è quando si integrano materiali solidi e liquidi, come nel caso dei display a cristalli liquidi. In questo caso, la geometria dei pixel e dei campi elettrici utilizzati per attivarli, sfruttano la simmetria e tendenza all'ordine dei cristalli liquidi, assecondandole.

Una ricerca recentemente pubblicata su Nature Materials ha messo in luce come anche i conflitti tra le simmetrie dei materiali possano essere un elemento di notevole vantaggio nella costruzione di display.

La ricerca ha studiato cosa succede quando un cristallo liquido viene inserito nelle microcavità di solidi porosi di vario tipo.

In molti casi si produce una condizione generalmente indicata come frustrazione molecolare. Nella recente ricerca si dimostra che la frustrazione molecolare può diventare un virtù.

Un esempio di frustrazione è mostrato nella fotografia dell'abside della Rotonda di San Lorenzo in Mantova. La costruzione di un abside con mattoni facilmente porta ad un conflitto sull'ordine con cui i mattoni devono essere disposti.

Il modo naturale di disporre i mattoni è parallelamente gli uni agli altri. Se si costruisce un muro piano, c'è perfetta sintonia tra il parallelismo dei mattoni e la forma del muro. Se però la struttura che si costruisce ha una simmetria diversa, come nella figura, si crea un conflitto che porta all'esistenza di un punto in cui i mattoni, invece di essere disposti parallelamente, sono disposti a raggiera.

In ambito scientifico questo punto in cui i mattoni non sono disposti in modo naturale viene indicato con il nome di "difetto topologico".

Questo difetto nella disposizione dei mattoni è analogo a quello che succedere nel mondo microscopico quando i cristalli liquidi (molecole che vogliono disporsi parallelamente) vengono chiusi nelle microcavità si un materiale solido.

Nel caso dei cristalli liquidi, che occupano un volume invece di una superficie come i mattoni, i difetti topologici sono delle linee.

Si mostra un esempio dei bizzarri percorsi che i difetti topologici (le linee rosse) possono formare dentro le porosità di un materiale solido (porosità regolari cubiche, in questo caso).

In questi strutture miste si produce quindi una situazione interessante: si parte con due materiali e nel comporli emerge una terza entità fondamentale per capire e controllare le proprietà di tutto l'insieme; i difetti topologici.

Quanto i difetti siano fondamentali lo si può capire tornando all'abside. Il costruttore avrebbe potuto collocare il difetto molto più in alto o più in basso.

In questi casi i mattoni sarebbero stati perlopiù orizzontali (nel primo caso) o verticali (nel secondo).

Se i mattoni fossero molecole di cristallo liquido e se l'abside fosse un pixel del display, queste due collocazioni dei difetti corrisponderebbero a pixel acceso e pixel spento. Quindi, se i mattoni fossero fluidi e se l'abside fosse un pixel, si potrebbe controllare la sua accensione/spegnimento agendo sulla posizione del difetto.

Se poi esistessero nell'abside due posizioni del difetto spontaneamente stabili, una in alto e una in basso, il pixel-abside potrebbe rimanere spento o acceso senza alcuna forze che debba attivamente
tenere il difetto nella sua posizione. Servirebbe un qualche tipo di forza solo per spostare il difetto da una posizione all'altra.

Nella ricerca sui cristalli liquidi racchiusi nei pori si dimostra che ci sono effettivamente geometrie in cui i difetti topologici possono stabilizzarsi in alcune diverse posizioni. Quindi una volta spostati in una di queste posizioni ci rimangono, e con essi rimane acceso o spento il pixel.

La ricerca quindi dimostra che, controllando i difetti che nascono dalla frustrazione del cristallo liquido, si possono progettare dispositivi che non richiedono energia per mantenere il pixel acceso (come ora nei normali display), ma richiedono di agire (con campi elettrici) solo per spostare i difetti tra le varie posizioni stabili. Ad esempio per spostarli nella posizione mostrata nella terza immagine, che nella geometria mostrata, è stabile.

Questa è una soluzione di interesse per i dispositivi di visualizzazione di pagine da leggere (libri, giornali, i cosiddetti "digital books"), dove non conta la velocità di ridefinizione della pagina, ma la durata delle batterie.

La ricerca è finanziata, da parte italiana, dalla fondazione Cariplo. Il gruppo della Statale al momento sta già lavorando, in collaborando con un gruppo del Politecnico di Milano, per la realizzazione sperimentale, tramite microfabbricazione, di queste strutture.

 

20/04/2011

Fonte: http://www.cercageometra.it