Di che sostanza sono composti i cristalli liquidi? Come funzionano i display LCD?

Negli
anni successivi agli studi di Reinitzer numerose sono
state le ricerche che hanno riguardato i cristalli
liquidi e altrettanto numerose sono state le nuove
scoperte. Per prima cosa si è visto che le fasi che
manifestano proprietà liquido-cristalline possono essere
di diversa natura a seconda del grado di ordine delle
molecole che le compongono. Esse vengono denominate
mesofasi, mentre prendono conseguentemente il nome di
mesogeni tutti i composti organici che sono in grado di
generare delle mesofasi. Le mesofasi sono le
seguenti:

• Mesofase nematica
• Mesofase nematico-chirale (o
  colesterica)
• Mesofase smettica

Ciascuna di esse possiede delle caratteristiche
peculiari che sono legate alla particolare disposizione
delle molecole nella fase stessa.

2.1. Mesofase nematica

La mesofase nematica è costituita da
molecole impaccate senza alcun ordine posizionale e
caratterizzate soltanto da una comune orientazione
preferenziale. L’ asse risultante dalla orientazione
preferenziale media delle molecole è detto
direttore.

2.2. Mesofase nematico-chirale (o colesterica)

La mesofase colesterica è strettamente
correlata con la nematica, di cui ne costituisce soltanto
una variante chirale. In pratica la presenza di
interazioni intermolecolari fa sì che ciascuna molecola
rimanga disallineata di qualche grado rispetto a quelle
che la circondano, con il risultato che l’
orientazione delle molecole non è costante lungo tutta
la fase.

Il direttore segue cioè un andamento
elicoidale il cui passo è tanto minore quanto maggiori
sono i disallineamenti reciproci delle molecole.

2.3. Mesofase smettica

La mesofase smettica è caratterizzata,
rispetto alla nematica, da un maggior ordine molecolare.
Oltre a possedere una preferenziale orientazione le
molecole sono infatti arrangiate in piani sovrapposti,
con minori gradi di libertà posizionali.

Esistono numerose tipologie diverse di mesofase
smettica, differenziate ad esempio dal fatto di avere le
molecole orientate perpendicolarmente ai piani (tipi A e
B) o inclinate di qualche grado (tipo C). All’

interno dei piani, poi, le molecole possono essere
disposte in posizioni casuali (tipo A) o seguire precise
geometrie (tipo B, con disposizione a nido d’ ape).
Di particolare rilevanza è la mesofase smettica di tipo
C* nella quale le molecole sono inclinate rispetto ai
piani di impaccamento orientandosi lungo una direzione
che ruota da piano a piano. Di nuovo, come accade nel
caso della mesofase colesterica, il direttore genera una
struttura elicoidale dalla quale dipendono fortemente le
proprietà macroscopiche della fase stessa.

Il grande
interesse legato all’ utilizzo di cristalli liquidi
nelle moderne applicazioni tecnologiche è
sostanzialmente dovuto al fatto che le proprietà
macroscopiche dei cristalli stessi possono essere variate
per mezzo di perturbazioni esterne. Per esempio le
molecole dei cristalli liquidi sono fortemente
influenzate dalla presenza di campi elettrici o
magnetici, con i quali tendono ad allinearsi.

Importante è anche il cosiddetto effetto di
ancoraggio delle molecole dei cristalli liquidi a pareti
di vetro opportunamente trattate. Sebbene sia fuori luogo
soffermarsi sulle modalità di tale trattamento, l’
importante è sapere che è possibile trattare delle
lastre di vetro in modo che quando esse entrano in
contatto con delle molecole liquido-cristalline riescono
ad indurre una orientazione preferenziale delle stesse in
direzione parallela alla lastra stessa. Questo effetto è
ampiamente sfruttato nella fabbricazione di display LCD e
ci torneremo in seguito.

Altra caratteristica fondamentale dei
cristalli liquidi, in particolare delle mesofasi
nematiche, è la loro birifrangenza. Vale a dire che la
luce polarizzata lungo l’ asse del direttore ha un
indice di rifrazione diverso (e quindi viaggia nel
materiale ad una velocità diversa) da quella polarizzata
in direzione normale al direttore stesso. Un fascio di
luce polarizzata in una qualsiasi altra direzione viene
dunque scomposta nelle due componenti, che escono sfasate
dal cristallo dando luogo ad una polarizzazione circolare
(o ellittica). Questo fenomeno è di particolare
importanza per la colorazione dei cristalli nei display.
La configurazione prevede la collocazione di un cristallo
liquido nematico tra due polarizzatori sfasati di 90°.

Se un fascio di luce monocromatica (una unica
lunghezza d’ onda), dopo aver attraversato il primo
polarizzatore entra nel cristallo liquido, essa subirà
lo sfasamento delle sue componenti (a meno che non sia
esattamente parallela o perpendicolare al direttore delle
molecole). In ogni caso, dato che lo sfasamento aumenta
all’ aumentare dello spessore del cristallo, è
sempre possibile scegliere uno spessore tale da far
sfasare le due componenti esattamente di 360°, il che
equivale a non sfasare nulla. In questo modo, dunque,
qualunque sia la direzione di polarizzazione della luce
monocromatica in ingresso rispetto al direttore del
cristallo liquido non si avrà comunque alcuno
sfasamento. Quindi la luce verrà bloccata dal secondo
polarizzatore, che è esattamente orientato a 90°
rispetto al primo. Vediamo invece cosa succede nel caso
più generale di una luce bianca (che ha dunque tutte le
lunghezze d’ onda comprese nello spettro visibile)
che, dopo essersi polarizzata attraversando il primo
polarizzatore entra nel cristallo liquido. A parità di
spessore di cristallo lo sfasamento sarà diverso per le
diverse lunghezze d’ onda, per cui vi saranno
lunghezze d’ onda per le quali lo sfasamento è
360°, mentre ve ne saranno altre che verranno
polarizzate circolarmente. Solo queste ultime, dato che
possiedono componenti polarizzate in ogni direzione,
saranno in grado di fuoriuscire dal secondo polarizzatore
e pertanto il cristallo apparirà colorato. Variando lo
spessore di cristallo attraversato dalla luce bianca
sarà possibile variare il colore del cristallo liquido
stesso.

Da ultima analizziamo la capacità dei cristalli
liquidi colesterici di riflettere selettivamente le
radiazioni con lunghezza d’ onda pari alla lunghezza
del passo dell’ elica formata dal direttore delle
molecole. Anche questa caratteristica è ampiamente
sfruttata per l’ ottenimento di cristalli liquidi
colorati. Come già sottolineato, il passo della
struttura elicoidale formata dal direttore delle molecole
di una mesofase colesterica è fortemente dipendente
dalla temperatura e generalmente aumenta all’
aumentare di essa. Quindi i cristalli liquidi colesterici
manifestano la caratteristica di riflettere
selettivamente radiazioni di frequenza tanto più bassa
quanto più la temperatura sale. Per questo sono
ampiamente utilizzati per la fabbricazione di termometri
funzionanti a variazione di colore per le più svariate
applicazioni (tipici quelli da applicare sulla pelle per
determinare la temperatura corporea o i sensori
utilizzati per individuare “falsi contatti” nei
circuiti elettronici). I cristalli colesterici mostrano
anche un accentuato dicroismo circolare, essendo cioè in
grado di ruotare lungo la loro elica il piano di
polarizzazione della luce che li attraversa. Variando lo
spessore del cristallo (e quindi il cammino ottico della
radiazione all’ interno del materiale) è possibile
ottenere la polarizzazione in una qualsiasi direzione
desiderata.