Cristalli liquidi

Lo schermo su cui leggi queste parole funziona, con ogni probabilità, grazie a una forma di materia che non è né solida né liquida, ma una via di mezzo: i cristalli liquidi. Sono sostanze che scorrono come liquidi ma mantengono un ordine simile a quello dei cristalli, una combinazione che le rende straordinariamente utili.

Vediamo che cosa sono questi stati intermedi, come si distinguono dai solidi e dai liquidi e perché sono diventati il cuore degli schermi.

Né solido né liquido

Di solito pensiamo a tre stati: solido, liquido e gassoso. Ma fra il solido cristallino e il liquido esiste, per certe sostanze, uno o più stati intermedi. In un cristallo gli atomi o le molecole hanno sia un ordine di posizione (stanno in posti precisi) sia un ordine di orientamento (puntano in direzioni precise). In un liquido si perdono entrambi. In un cristallo liquido si perde l’ordine di posizione ma si conserva quello di orientamento: le molecole possono scorrere liberamente, ma tendono a puntare tutte nella stessa direzione.

Molecole allungate che si orientano

Perché una sostanza formi cristalli liquidi, le sue molecole devono di solito avere una forma allungata, a bastoncino. Molecole di questo tipo, anche quando sono libere di scorrere, tendono spontaneamente ad allinearsi parallele fra loro, come fiammiferi versati in una scatola che si dispongono nello stesso verso. Questo orientamento comune è la firma dei cristalli liquidi e ciò che dà loro proprietà direzionali simili a quelle dei cristalli, pur essendo fluidi.

Le diverse fasi

I cristalli liquidi non sono tutti uguali, ma comprendono diverse fasi con gradi di ordine crescenti. Nella fase più disordinata, detta nematica, le molecole condividono solo la direzione. In fasi più ordinate, dette smettiche, oltre alla direzione comune le molecole si dispongono anche in strati, conservando un po’ di ordine di posizione lungo una direzione. Esistono inoltre fasi in cui la direzione di orientamento ruota gradualmente di strato in strato, formando un’elica, responsabili di vistosi effetti di colore.

cristallo (ordine pos. + dir.)  →  cristallo liquido (solo dir.)  →  liquido (nessun ordine)

Sensibili a tutto

La caratteristica che rende i cristalli liquidi così utili è che il loro orientamento è facile da controllare. Poiché le molecole sono solo debolmente vincolate, basta un piccolo stimolo — un campo elettrico, una variazione di temperatura, il contatto con una superficie trattata — per farle ruotare tutte insieme e cambiare la direzione comune. E poiché molte proprietà, in particolare il modo in cui trattano la luce, dipendono da questa direzione, controllando l’orientamento si controllano quelle proprietà. È questa sensibilità la chiave delle loro applicazioni.

Gli schermi a cristalli liquidi

L’applicazione più nota sono gli schermi. In ogni minuscolo punto dello schermo, uno strato di cristallo liquido è racchiuso fra filtri che lasciano passare solo luce polarizzata. Applicando o no un campo elettrico si fa ruotare l’orientamento delle molecole, e questa rotazione decide se la luce passa o viene bloccata: il punto si accende o si spegne. Combinando milioni di questi punti, ciascuno comandato singolarmente, si formano le immagini. Il bello è che il cristallo liquido non emette luce, ma si limita a farla passare o no, consumando pochissima energia: per questo questa tecnologia ha reso possibili schermi piatti, leggeri e a basso consumo.

Non solo schermi

I cristalli liquidi sono ovunque, anche oltre gli schermi. Si usano nei termometri che cambiano colore con la temperatura, sfruttando le fasi a elica il cui colore dipende dal calore. Compaiono spontaneamente in natura, nelle membrane delle cellule e in molte strutture biologiche, dove l’ordine fluido è essenziale per la vita. Si studiano per nuovi materiali che cambiano proprietà su comando, per sensori e per dispositivi ottici avanzati. Sono un bell’esempio di come stati della materia “esotici”, a lungo considerati curiosità da laboratorio, possano rivelarsi alla base di tecnologie che usiamo tutti i giorni, e mostrano quanto la frontiera fra i tradizionali stati della materia sia più ricca di quanto sembri.

Domande frequenti

Che cos’è un cristallo liquido?

È uno stato della materia intermedio fra il solido cristallino e il liquido: le molecole scorrono come in un liquido ma mantengono un ordine di orientamento, tendendo a puntare tutte nella stessa direzione. Unisce così la fluidità di un liquido a proprietà direzionali simili a quelle di un cristallo, e proprio per questa via di mezzo viene anche chiamato uno stato mesomorfo, cioè di forma intermedia fra il solido e il liquido.

In cosa differisce da un solido e da un liquido?

In un cristallo le molecole hanno ordine sia di posizione sia di direzione; in un liquido nessuno dei due. In un cristallo liquido si perde l’ordine di posizione ma si conserva quello di direzione: le molecole scorrono libere restando però orientate nello stesso verso.

Perché certe sostanze formano cristalli liquidi?

Perché hanno molecole allungate, a bastoncino, che anche quando sono libere di scorrere tendono spontaneamente ad allinearsi parallele, come fiammiferi che si dispongono nello stesso verso. Questo orientamento comune dà loro proprietà direzionali pur restando fluide.

Come funziona uno schermo a cristalli liquidi?

In ogni punto dello schermo uno strato di cristallo liquido sta fra filtri di luce polarizzata. Un campo elettrico fa ruotare l’orientamento delle molecole, decidendo se la luce passa o è bloccata: il punto si accende o si spegne. Milioni di punti comandati così formano le immagini, e poiché il cristallo liquido non emette luce ma si limita a lasciarla passare, lo schermo consuma pochissima energia, un vantaggio decisivo che ha reso possibili i display piatti, leggeri e adatti ai dispositivi alimentati a batteria.

I cristalli liquidi si usano solo negli schermi?

No: si usano nei termometri che cambiano colore con la temperatura, in sensori e dispositivi ottici, e compaiono in natura nelle membrane delle cellule. Sono uno stato della materia diffuso e versatile, alla base di molte tecnologie oltre che presente nei sistemi biologici.