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Tuesday 18 October 2011

La transizione da liquido isotropo a smettico

La transizione da liquido isotropo a smettico

Amelia Carolina Sparavigna
Dipartimento di Fisica
Politecnico di Torino

Breve discussione della transizione di fase diretta dal liquido isotropo alla mesofase smettica, con osservazioni al microscopio polarizzatore.

I cristalli liquidi sono materiali composti di molecole di forma allungata, come bastoncini, oppure discoidale. Essi sono caratterizzati dalla presenza di mesofasi tra la fase liquida isotropa e quella cristallina. Tipiche mesofasi sono la fase nematica e quella smettica. La fase nematica ha i centri delle molecole che assumono posizioni arbitrarie, mentre gli assi delle molecole tendono a orientarsi nella stessa direzione. Nello smettico, le molecole si dispongono con i loro centri su piani definiti. Gli assi delle molecole hanno una direzione specifica rispetto al piano. Se la direzione è perpendicolare al piano, si dice che la fase è smettica A, se invece l’asse è inclinato, la fase è smettica B. La fase smettica è quindi più ordinata della nematica, ma più disordinata di un cristallo. Vi sono alcuni materiali termotropici in cui la fase nematica non c'è, ma si ha solo una fase smettica. Riscaldando o raffreddando il campione, si passa dalla fase smettica a quella liquido o viceversa, saltando la fase nematica.
Vediamo che cosa si può osservare col microscopo polarizzatore, quando si passa della fase liquida ordinaria, dove le molecole sono disordinate sia in posizione sia in orientamento, nella fase liquido-cristallina. La fase liquida ordinaria è detta “liquido isotropo”. Il cristallo liquido è preparato tra due vetrini e posto, all’interno di un termostato, sotto il microscopio, tra i due filtri polarizzatori. Lo spessore del materiale è di pochi micron. Il campione è riscaldato fino a raggiungere la fase liquida ordinaria. Questa fase, se vista al microscopio con i filtri polarizzatori incrociati, appare come un nero uniforme. L’isotropia ottica del materiale permette l’estinzione completa della luce. Se si raffredda il liquido ed esso passa nella fase nematica, si vedono comparire delle bolle colorate. Dove ci sono le bolle, il materiale è già nematico. Le bolle crescono fino a che tutto il materiale è nematico.

  
Transizione da liquido isotropo, che appare nero nella foto, a nematico, che è colorato. Il cristallo liquido è il 12OBAC (alkyloxybenzoic acid).

Il nematico è otticamente anisotropo. Il materiale modifica la luce che polarizzata dal primo filtro del microscopio. Il secondo non riesce più a estinguere tutta la luce. Il materiale appare colorato per via di fenomeni d’interferenza. Cosa si vede quando si passa del liquido isotropo allo smettico? Dato che ci sono diverse fasi smettiche, quello che si vede dipende dalla fase.

Smettico A
Utilizziamo un oxadiazolo, che ha la transizione diretta dalla fase isotropa a quella smettica. Il materiale ha una fase smettica di tipo A. Al microscopio polarizzatore, questo materiale mostra una  fase caratterizzata da domini a ventaglio (in letteratura si trovano definiti come “fan” oppure  “focal-conic”).


Domini “focal-conic” nella fase smettica.

Aumentando la temperatura, portiamo il campione nella fase liquida isotropa. Il campione diventa nero. Cominciamo a raffreddare lentamente il campione per portarlo nella fase smettica. Nel campo visivo del microscopio appaiono i “batonnets”, che cominciamo a crescere nella fase isotropa.


Batonnets della fase smettica che crescono nella fase isotropa (a sinistra). I domini crescono e si uniscono a formare la tessitura focal-conic.

Questi domini crescono e si uniscono insieme fino a formare la tessitura, ossia l’insieme dei domini osservati al microscopio polarizzatore, della fase smettica. I domini sono in questo caso focal-conic.  

Smettico C
La tessitura vista sopra non è l’unica mostrata dalla fase smettica. Prendiamo un altro materiale, anche lui avente la transizione diretta liquido isotropo - smettico.  Il materiale utilizzato è il 16OBAC della famiglia degli acidi ossibenzoici alchilici (alkyloxybenzoic). Il materiale è cristallino fino a 90 °C e poi passa nella fase smettica C.


A sinistra la fase cristallina del  16OBAC; a destra la fase smettica  osservata in riscaldamento dalla fase cristallina.

Alla temperatura di 131 °C diventa un liquido isotropo, non ha quindi fase nematica. Questo è dovuto al fatto che le molecole sono così lunghe da mantenere l'ordine smettico fino ad alta temperatura, vincendo la tendenza al disordine dovuta all'agitazione termica. In raffreddamento, la fase smettica compare dalla fase isotropa: si osservano delle strutture ramificate che compaiono nel campo nero della cella vista tra polarizzatori incrociati.


Ecco come cresca la fase smettica nella fase isotropa.


La crescita della fase smettica  dalla fase isotopa vista ad un ingrandimento maggiore.


La sequenza mostra l'evoluzione della struttura ramificata, quando si abbassa la temperatura (0.5 gradi al minuto).


E’ interessante notare che la fase smettica che si forma in raffreddamento ha una tessitura differente da quella che si osserva in riscaldamento. La tessitura è di tipo schlieren: poiché la fase è smettica, ci sono solo difetti con carica 1. Possiamo quindi distinguerla dalla fase nematica, che è simile, perché questa ha anche i difetti 1/2.


Fase smettica del 16OBAC che si forma in raffreddamento. La tessitura è di tipo schiere, con i soli difetti con carica 1.


Discussione
Il processo di crescita delle mesofasi dalla fase isotropa è un problema interessante e forse poco studiato ancora [1]. Questo processo ha due fasi, quella di nucleazione e quella di accrescimento. Esse sono state ben studiate per i processi di cristallizzazione dal liquido isotropo. Nella fase di nucleazione succede che, all'interno del liquido si creano dei punti in cui la concentrazione locale è maggiore. Questi punti sono chiamati cluster. Crescendo, si creano dei nuclei che rispecchiano fedelmente l'ordine del cristallo. Sono piccoli cristallini di dimensioni microscopiche.
Anche le mesofasi hanno i loro nuclei. Per quanto riguarda i nematici, di solito si osservano delle piccolissime gocce circolari, che si formano nel liquido isotropo e che poi si uniscono a formare la fase nematica. Anche se il nematico è anisotropo come orientazione, è disordinato come posizione. Immaginiamo le molecole del nematico come dei bastoncini. Quando esse sono nella fase liquida isotropa, i loro centri sono disordinati, come anche le loro direzioni. Al decrescere della temperatura, quando il materiale arriva alla transizione di fase, le molecole possono girare i loro assi lunghi senza doversi spostare. Questo può avvenire nello stesso modo in tutte le direzioni dello spazio. Il nucleo di nematico cresce nel liquido isotropo con una simmetria sferica.
Nello smettico invece, l’ordine locale è molto diverso. Ci sono dei piani microscopici, su cui si devono sistemare i centri delle molecole. Le molecole devono orientarsi ma anche spostare i loro centri per formare i piani. I clusters iniziali possiedono quindi una direzione privilegiata, quella perpendicolare ai piano dello smettico. Ecco quindi che possono comparire i nuclei come batonnets.
E’ molto interessante la crescita dello smettico C, che appare come una struttura ramificata. Sicuramente sono necessari ulteriori studi per determinare meglio le caratteristiche dei nuclei.

Riferimenti

[1] I DierkingC Russell, Universal scaling laws for the anisotropic growth of SmA liquid crystal bâtonnets, Physica B: Condensed Matter, Volume 325, January 2003, Pages 281-286.

Friday 14 October 2011

Mesophases transitions


An interesting transition is the texture transition inside the nematic phase. We observe in some liquid crystalline compounds a transition from a low-temperature nematic texture which looks like a texture of a smectic phase to a high temperature nematic Schlieren texture. Compounds that have the texture transition are the alkyloxybenzoic acids. Here, you can see a movie of the texture transtion inside the nematic phase of 6OBAC. The sample is heated from the crystal phase. We can see the smectic pahse and then the two following nematic subphases. Click on the image to see the movie.


More details  in my papers:
Texture transitions in binary mixtures of 6OBAC
with compounds of its homologous series
A. Sparavigna;  A. Mello; B. Montrucchio 

Phase Transitions: A Multinational Journal, 1029-0338
Volume 80, Issue 3, 2007, Pages 191 – 201
Abstract 
Texture transitions in the liquid crystalline 
alkyloxybenzoic acid 6OBAC
A. Sparavigna;  A. Mello; B. Montrucchio 
Phase Transitions: A Multinational Journal, 1029-0338
Volume 79Issue 4, 2006, Pages 293 – 303
Abstract 

A new image processing method for enhancing
the detection sensitivity of smooth transitions in liquid crystals

Liquid Crystals, 1366-5855, Volume 24Issue 6, 2001, Pages 841 – 852
Abstract 

novel order transition inside the nematic phase of 
trans -4-hexylcyclohexane-1-carboxylic acid discovered by image processing
Liquid Crystals, 1366-5855, Volume 25Issue 5, 2001, Pages 613 – 620
Abstract 


In the following, three movies show a transition on cooling from the nematic to the smectic phase of an oxadiazole compound. We see a transition from the nemtic to a smectic phase with toric domains.
Clink on images to launch the movies.

  

For more detailsthese are my articles:

Growth of toric domains in mesophases of oxadiazoles
A. Sparavigna;  A. Mello; B. Montrucchio 
Phase Transitions: A Multinational Journal
1029-0338, Volume 81Issue 5, 2008, Pages 471 – 477
Abstract 

Fan-shaped, toric and spherulitic textures of mesomorphic oxadiazoles
A. Sparavigna;  A. Mello; B. Montrucchio 
Phase Transitions: A Multinational Journal
1029-0338, Volume 80Issue 9, 2007, Pages 987 – 998
Abstract 


Amelia Carolina Sparavigna