Spettroscopia 2H NMR: l’effetto del campo magnetico sulla struttura supramolecolare di fasi smettiche C chirali

Nell’ambito della conferenza ISMASM 2008 – 2nd International Symposium on the Manipulation of Advanced Smart Materials (http://www.osaka-sandai.ac.jp/hrc18/ISMASM2008/index.html) tenutasi all’Awaji Yumebutai International Conference Center, Hyogo (Japan), è stato attribuito il premio come migliore poster presentato da un giovane ricercatore al Dr. Alberto Marini del Gruppo di Spettroscopia NMR del Prof. C.A.Veracini.

Nel poster premiato, dal titolo “Effect of the Magnetic Field on the Supramolecular Structure of Chiral Smectic C Phases: 2H NMR studies”, gli autori Valentina Domenici, Alberto Marini e Carlo Alberto Veracini presentano uno studio teorico-sperimentale (2H NMR) degli effetti del campo magnetico esterno sulla struttura supramolecolare di fasi liquido cristalline chirali, come la SmC* e la SmC* rientrante. Lo srotolamento della struttura elicoidale della fase SmC* da parte di un campo magnetico parallelo all’asse principale dell’elica viene descritto attraverso l’uso di un modello basato sulla Teoria di Landau-de Gennes.

Di V. Domenici, A. Marini, e C. A. Veracini

I cristalli liquidi ferroelettrici chirali hanno attratto molta attenzione negli ultimi due decenni, soprattutto per le loro potenziali applicazioni tecnologiche e per il loro ricco polimorfismo [1]. La chiralità – assieme alla morfologia della fase e alle conseguenti modalità d’impaccamento a strati che ne derivano – rappresenta un fattore fondamentale per la creazione sia di strutture supramolecolari ordinate che di nuove funzioni nei materiali liquido-cristallini. La struttura supramolecolare della fase smettica C chirale (SmC*), che riveste particolare importanza per le proprietà che derivano dalla ferroelettricità, può essere fortemente influenzata da campi elettrici e magnetici esterni. Se, da una parte, gli effetti del campo elettrico sono stati studiati più in dettaglio ed hanno portato ad interessanti applicazioni pratiche, dall’altra, gli effetti del campo magnetico non sono stati investigati in modo approfondito [2]. Tuttavia, la possibilità di indurre un cambiamento di stato – da fase SmC* arrotolata (wound: SmC*) a srotolata (unwound: uSmC*) – per mezzo di un campo magnetico, potrebbe in principio essere sfruttata in campo tecnologico.

La fase smettica C chirale è interessante dal punto di vista applicativo per la proprietà di ferroelettricità, che è legata alla polarità dei cristalli liquidi e alla simmetria della struttura della fase. Tipicamente nelle fasi SmC* il valore della polarizzazione spontanea è di circa 10 nC m-2, ovvero 100-1000 volte inferiore a quella rilevata nei solidi ferroelettrici [3]. Molteplici teorie [4,5] sono state sviluppate per spiegare l’origine della polarizzazione spontanea in queste fasi e l’effetto dei campi esterni, elettrici e magnetici.

Questo lavoro di ricerca si basa su uno studio teorico e sperimentale per mezzo di Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare al Deuterio (2H NMR) degli effetti di campi magnetici esterni sull’organizzazione supramolecolare di mesofasi chirali formate da cristalli liquidi smettici.

Dal punto di vista sperimentale è stata investigata, a campi magnetici di diversa intensità (da 2.4 a 9.4 Tesla), la struttura elicoidale in tre sistemi liquido-cristallini, in cui l’elica della fase smettica C* viene srotolata da un campo magnetico (H), parallelo all’asse principale dell’elica.

Lo svolgimento della struttura elicoidale viene descritto mediante un modello teorico basato sulla teoria di Landau-de Gennes, il quale ci permette di predire le temperature di transizione tra le fasi SmA, SmC* e uSmC*. L’andamento della densità di energia in prossimità delle transizioni ed il valore del campo magnetico critico HC per lo srotolamento della struttura elicoidale vengono discussi in dettaglio [6].

Da questo approccio, possiamo concludere che il fenomeno dello srotolamento delle strutture elicoidali dipende dal valore del campo magnetico critico, compreso tra i 2 e i 20 Tesla, che a sua volta dipende dalla struttura molecolare del cristallo liquido in esame e di quella della mesofase investigata.

Questo lavoro rappresenta un passo in avanti dal punto di vista della descrizione sia teorica che sperimentale di un fenomeno peculiare presente nelle strutture supramolecolari di fasi SmC* in presenza di un campo magnetico.

Questo lavoro di ricerca è stato recentemente pubblicato su ChemPhysChem, una rivista che raccoglie i dati sperimentali e le ricerche teoriche di eccezionale importanza e attualità nel campo della chimica fisica moderna, con particolare attenzione al campo degli advanced materials a della soft matter. Il titolo è 
“Effect of the Magnetic Field on the Supramolecular Structure of Chiral Smectic C Phases: 2H NMR Studies” ChemPhysChem, 2007, 8, 2575-2587,di Valentina Domenici, Alberto Marini, Carlo Alberto Veracini, Jing Zhang e Ronald Y. Dong.

Informazioni Autori:

Il prof. C.A. Veracini è docente ordinario di Chimica Fisica presso il Dipartimento di chimica e Chimica Industriale di Pisa, la Dr.ssa V. Domenici è ricercatrice in formazione nel gruppo di Spettroscopia NMR del Prof. Veracini. Il Dr. A. Marini è attualmente allievo del III anno di Corso di Perfezionamento in Scienze Chimiche presso la Scuola Normale Superiore di Pisa. A.M. è particolarmente grato alla SNS per i fondi Giovani Ricercatori ’07, con i quali è stato possibile realizzare questo studio.

Riferimenti:

[1] E. Gorecka, A. D. L. Chandani, Y. Ouchi, H. Takezoe, A. Fukuda, Jpn. J. Appl. Phys. Part 1 1990, 29, 131.

[2] G. Tordini, P. C. M. Christianen, J. C. Maan, Mol. Cryst. Liq. Cryst. 2005, 435, 915.

[3] I. Musevic, R. Blinc, B. Zeks, The Physics of Ferroelectric and Antiferroelectric Liquid Crystals, World Scientific, Singapore, 2000.

[4] R. Blinc, Phys. Status Solidi B 1989, 70, 29.

[5] D. J. Photinos, E. T. Samulski, Science 1995, 270, 783.

[6] V. Domenici, A. Marini, C. A. Veracini, J. Zhang, R. Y. Dong, ChemPhysChem, 2007, 8, 2575.