Indagando le strutture chiral nelle fasi liquide cristalline

Le strutture chirali si trovano ovunque, da piccole molecole a enormi corpi cosmici. Lo studio di come queste strutture perdano la loro simmetria speculare è un'area di ricerca importante e gioca un ruolo chiave in molti usi pratici. Per esempio, certe molecole chirali possono essere pericolose se si trovano nella forma sbagliata. Inoltre, il modo in cui si formano le strutture chirali può influenzare notevolmente come vengono usate in vari materiali e tecnologie. Spesso, gli scienziati usano forze esterne, come pressione o confinamento, per manipolare queste strutture.

#Cristalli Liquidi come Sistema Modello

I cristalli liquidi (LC) sono un ottimo esempio per studiare le strutture chirali. In particolare, un tipo conosciuto come cristalli liquidi nematici chirali, o fase colesterica, è stato ampiamente studiato. Questi materiali sono comuni in natura e hanno numerose applicazioni. Nella fase colesterica, le molecole si attorcigliano attorno a un asse centrale, definendo una direzione specifica nota come "handedness", che può essere destra o sinistra. Il modo in cui queste strutture si attorcigliano può dipendere dai tipi e dalle quantità di diverse molecole usate nella loro creazione.

Le condizioni in cui vengono posti questi cristalli liquidi, incluso come sono confinati in uno spazio, possono influenzare notevolmente le loro proprietà chirali. Per esempio, quando sono confinati, possono formare strutture sorprendenti che differiscono da quelle normalmente trovate in materiali bulk.

#Effetti del Confinamento sulle Strutture Chirali

Il confinamento può risultare in vari effetti, come un cambiamento nell'atteso attorcigliamento della struttura o addirittura la creazione di forme chirali da materiali che normalmente non sono chirali. Inoltre, il confinamento può portare alla presenza di diversi stati stabili che possono esistere simultaneamente, anche se non sono i più energeticamente favoriti.

Questo studio si concentra su come i cristalli liquidi nematici chirali possano mostrare una struttura instabile che si attorciglia nella direzione opposta rispetto al materiale bulk. Usando una miscela di cristalli liquidi chirali e non chirali, i ricercatori hanno esaminato come l'arrangiamento molecolare cambi in e intorno a gocce posizionate su superfici trattate appositamente.

#Materiali e Impostazione Sperimentale

Il cristallo liquido usato in questi esperimenti era una soluzione fatta di Sunset Yellow FCF (SSY) combinata con il solfato di brucina eptaidrato (BSH), che serve come additivo Chirale. La soluzione è stata mescolata per creare una concentrazione specifica, o senza BSH per cristalli liquidi achirali o con quantità variabili di BSH per varianti chirali.

Per condurre gli esperimenti, slide di vetro e coperture preparate specialmente sono state rivestite con uno strato sottile di parylene, che funge da substrato per i cristalli liquidi. Piccole gocce della soluzione di cristallo liquido sono state posizionate su queste slide e poi coperte per creare un ambiente sigillato per prevenire l'evaporazione.

#Osservazioni Visive

L'esperimento ha utilizzato un microscopio ottico polarizzato per osservare i comportamenti e le texture dei cristalli liquidi mentre passavano attraverso diverse fasi. Variando la temperatura, i ricercatori sono stati in grado di portare i cristalli liquidi in uno stato in cui coesistono in diverse forme, permettendo loro di osservare il comportamento di gocce isotropiche circondate dalla fase di cristallo liquido nematico.

Sotto il microscopio, l'arrangiamento dei cristalli liquidi mostrava schemi a Spirale, anche quando il materiale di base non era chirale. Questo fenomeno era particolarmente intrigante, poiché suggeriva che anche i materiali achirali possono mostrare caratteristiche di strutture chirali sotto specifiche condizioni.

#Analisi delle Texture a Spirale

I ricercatori hanno categorizzato le texture a spirale osservate in base alla loro "handedness" e hanno calcolato la probabilità di ciascun tipo di apparire. In assenza di additivi chirali, i modelli a spirale apparivano con probabilità uguali per forme destra e sinistra. Tuttavia, con l'aumento della concentrazione dell'additivo chirale BSH, la preferenza per una handedness rispetto all'altra diventava evidente.

Ad esempio, con l'aggiunta di 0,4% BSH, il sistema mostrava una marcata preferenza per le spirali destre, che costituivano quasi il 90% dei modelli osservati. Era sorprendente che, anche quando emergeva una handedness maggioritaria, alcune spirali sinistre apparivano ancora, indicando una complessità più profonda nel comportamento di questi materiali.

#Modellazione Teorica

Un modello teorico è stato sviluppato per spiegare i comportamenti osservati. Ha considerato l'arrangiamento delle strutture molecolari attorno alle gocce isotropiche e come si attorcigliassero a causa di vari vincoli. Aspetti del modello si sono concentrati su come le condizioni superficiali e gli arrangiamenti spaziali influenzassero le orientazioni molecolari.

Attraverso calcoli accurati, il team è stato in grado di simulare i profili energetici di queste configurazioni di cristalli liquidi. I risultati indicavano che anche configurazioni energeticamente sfavorevoli potevano comunque esistere come stati stabili, evidenziando il ruolo del confinamento e dell'elasticità nel determinare le proprietà della struttura finale.

#Strutture Chirali in Diverse Configurazioni

Lo studio ha anche indagato le condizioni in cui gocce nematiche circondavano fasi isotropiche. In queste condizioni, i ricercatori hanno osservato che la superficie della goccia consentiva configurazioni omocirali, anche con basi achirali. Questo era contrario ad osservazioni precedenti, suggerendo che i materiali potessero comunque mostrare comportamenti complessi nonostante le loro condizioni iniziali.

I risultati hanno rivelato che l'arrangiamento di questi materiali è il risultato di un bilanciamento di fattori energetici, con energie di torsione, piega e splay che interagiscono tra loro. La parte interessante dei risultati era che anche quando venivano aggiunti dopanti chirali, il sistema poteva ancora esibire la handedness sfavorita sotto specifiche configurazioni.

#Conclusione

Questa ricerca getta luce sulla complessità delle strutture chirali, in particolare nei cristalli liquidi. L'interazione tra confinamento, elasticità e introduzione di dopanti chirali crea un ambiente ricco per studiare come questi materiali si comportano. È importante notare che i risultati mostrano che è cruciale comprendere il paesaggio energetico quando si tenta di controllare la chiralità nei materiali per applicazioni in tecnologia, ottica e scienza dei materiali.

Andando avanti, questa conoscenza ha potenziali implicazioni in vari campi, specialmente nello sviluppo di materiali in cui la chiralità svolge un ruolo critico. La capacità di manipolare e prevedere arrangiamenti chirali aprirà nuove strade nella progettazione di materiali funzionali, contribuendo a progressi in molti domini scientifici e ingegneristici.