Un team di ricerca internazionale dalla Russia, Francia e Germania hanno proposto un nuovo metodo per orientare i cristalli liquidi. Potrebbe essere utilizzato per aumentare l'angolo di visione dei display a cristalli liquidi. Il documento è stato pubblicato sulla rivista Lettere macro ACS .

"Questo è prima di tutto uno studio fondamentale che esplora i meccanismi di orientamento dei cristalli liquidi, "dice Dimitri Ivanov, il responsabile del Laboratorio di Materiali Funzionali Organici e Ibridi al MIPT. "Detto ciò, ci aspettiamo che questi meccanismi possano avere applicazioni nella nuova tecnologia LCD".

La maggior parte dei solidi sono cristalli. In un cristallo, molecole o atomi formano una struttura tridimensionale ordinata. A differenza dei solidi, i liquidi mancano di questo ordine interno a lungo raggio, ma possono fluire. La materia allo stato di cristallo liquido ha proprietà intermedie tra quelle dei liquidi e dei cristalli:possiede sia l'ordine molecolare che la capacità di fluire. Un cristallo liquido può quindi essere visto come un liquido "ordinato".

Non tutti i materiali possono presentare uno stato liquido cristallino, e i meccanismi di transizione di fase possono variare. Tra l'altro, le molecole di un materiale LC devono essere anisometriche, cioè a forma di asta o disco. Alcuni composti diventano LC in un determinato intervallo di temperatura. Questi sono chiamati termotropici. Al contrario, i LC liotropici adottano lo stato liquido cristallino quando viene aggiunto un solvente.

Le proprietà di un materiale LC variano a seconda della direzione. Per esempio, la luce polarizzata si propaga in un cristallo liquido a velocità diverse lungo direzioni diverse. Anche, in un campo elettrico o magnetico, l'orientamento delle LC può cambiare rapidamente. Questo fenomeno è noto come transizione di Fréedericksz. Grazie alle proprietà ottiche dei LC e alla loro capacità di essere facilmente riallineati, sono ampiamente utilizzati nei display elettronici dei televisori, computer, telefoni, e altri dispositivi.

In un LCD, l'immagine è generata modificando l'intensità della luce in ogni pixel tramite un campo elettrico, che riallinea i cristalli liquidi. Ci sono diverse configurazioni LCD, ma quello più comunemente usato è basato su LC nematici contorti. Si tratta di cristalli liquidi termotropici a forma di bastoncino che possono assumere una configurazione attorcigliata utilizzando speciali substrati di allineamento. L'applicazione di un campo elettrico a questi LC può districarli. Questa risposta riproducibile e prevedibile può essere utilizzata per controllare l'intensità della luce.

Ogni pixel in un LCD a colori è costituito da tre subpixel:rosso, verde, e blu. Variando la loro intensità, qualsiasi colore può essere visualizzato. Un subpixel in un LCD a base nematica contorto (figura 1) è costituito da una sorgente di luce, un filtro colore, due polarizzatori, e una cella LC tra due lastre di vetro con elettrodi. Se non ci fossero i cristalli liquidi, nessuna luce passerebbe attraverso la cella, perché qualunque luce venga lasciata passare dal polarizzatore verticale verrebbe bloccata dal polarizzatore orizzontale prima di raggiungere il filtro colore. Però, speciali substrati con superfici scanalate possono essere utilizzati per attorcigliare gli LC a spirale tra due polarizzatori in modo da orientare la luce esattamente della quantità necessaria per passare attraverso il secondo polarizzatore. Lo stato completamente illuminato del subpixel è in realtà il suo stato "spento". Quando viene applicata la tensione, i cristalli liquidi si snodano, modificando la polarizzazione della luce in misura minore. Di conseguenza, parte della luce è bloccata. Infine, poiché una certa tensione nessuna luce può raggiungere il filtro colorato, e il subpixel diventa scuro.

Uno dei limiti di questa tecnologia è l'angolo di visualizzazione di un display:da una prospettiva laterale, il display LCD non renderà i colori in modo accurato. Ciò è dovuto al coallineamento dei cristalli liquidi. Il problema può essere risolto utilizzando display multidominio, in cui i pixel appartengono a più domini, i cui orientamenti LC sono diversi. Ciò significa che almeno alcuni dei domini sono sempre orientati nel modo giusto. Il team internazionale di ricercatori guidato dal professor Dimitri Ivanov, che dirige il Laboratorio di Materiali Funzionali Organici e Ibridi del MIPT, ha proposto una nuovissima soluzione per la progettazione di display multidominio.

Gli autori dell'articolo hanno lavorato con polimeri a cristalli liquidi. Si tratta di sostanze composte da lunghe molecole con struttura a catena, struttura ripetitiva. Una leggera variazione nella struttura dei polimeri può alterare drasticamente il loro orientamento sul substrato. I polimeri utilizzati nello studio sono poli(di-n-alchilsilossani), o PDA. Ogni molecola è una catena contenente atomi di silicio e ossigeno alternati. Gli atomi di silicio in PDAS portano due catene laterali simmetriche di idrocarburi (figura 2). La n nel nome del composto sta per la lunghezza delle catene laterali, che variava tra 2 e 6.

Nell'esperimento, i polimeri della famiglia PDAS sono stati depositati su una superficie di allineamento strofinata con Teflon con uno schema regolare di scanalature. In genere, è noto che i polimeri cristallini si allineano su tali substrati, ma solo quando i parametri reticolari del substrato corrispondono a quelli del polimero depositato. I ricercatori hanno esaminato l'orientamento delle catene polimeriche di cristalli liquidi rispetto alla direzione delle scanalature sulla superficie di allineamento. La lunghezza della catena laterale n è stata aumentata a passi di un solo gruppo metilenico (CH2) alla volta.

I ricercatori hanno scoperto che, contrariamente alle aspettative, l'orientamento dei cristalli liquidi variava a seconda della lunghezza della catena laterale. A n uguale a 2, le sovrastrutture polimeriche aghiformi note come lamelle co-allineate con le scanalature in teflon. Poiché è noto che le lamelle sono perpendicolari alle catene polimeriche, i ricercatori hanno concluso che le catene polimeriche sono perpendicolari alle scanalature sul substrato (figura 3, sinistra). Quando n è stato aumentato a tre, l'orientamento delle lamelle è cambiato di 90 gradi, rendendoli perpendicolari alle scanalature. Di conseguenza, le catene polimeriche LC erano ora orientate parallelamente alle scanalature (figura 3, Giusto). A n uguale a quattro, non sono stati osservati ulteriori cambiamenti di orientamento. Però, quando la lunghezza della catena laterale è stata ulteriormente aumentata a cinque e sei, le lamelle nuovamente co-allineate con le scanalature in teflon.

I ricercatori hanno così scoperto che semplicemente aggiungendo un gruppo metilenico alla catena laterale del polimero, potrebbero cambiare l'orientamento LC, che è cruciale per la maggior parte delle applicazioni di cristalli liquidi, compresi gli LCD. Secondo gli autori, l'effetto scoperto potrebbe essere utilizzato per progettare LCD con angoli di visualizzazione migliorati. Ciò potrebbe essere ottenuto utilizzando una tecnologia multidominio che funziona orientando i subpixel di un colore in direzioni diverse. Di conseguenza, i pixel si compensano a vicenda quando il display è visto da un'angolazione, miglioramento della resa cromatica. I ricercatori si aspettano che questa tecnologia sia notevolmente più semplice ed economica rispetto ad altri approcci multidominio attualmente utilizzati.