Fluidi complessi ed anisotropi

I cristalli liquidi sono materiali versatili che hanno incredibili proprietà come l’anisotropia ottica, per cui possono essere utilizzati sia come modello per la turbolenza sia come mezzo guida per l’auto-aggregazione di nano particelle e quantum dots. Quest’ultimo aspetto può essere sfruttato per la realizzazione di dispostivi ottici, fotonici e microfluidici miniaturizzati. Inoltre la loro birifrangenza e le loro proprietà ottiche ne permettono l’applicazione in dispositivi tecnologici come displays, sensori, lasers e reticoli. Una classe particolare di cristalli liquidi sono biocompatibili e possono quindi essere utilizzati nella sensoristica di sistemi biologici.

Nanoconfinamento di cristalli liquidi e dinamica di fluidi anisotropi

La struttura e la risposta ottica di fluidi anisotropi complessi come i CL può variare molto nel volume, dove le molecole interagiscono tra loro e reagiscono a campi esterni (ad es. il campo elettromagnetico), ed alla superficie dove prevalgono le interazioni molecole /superficie.

Per di più la superficie può aumentare o distruggere l’ordine del CL (ordine orientazionale nei nematici) oppure può indurre un nuovo tipo di ordine (come quello smettico che presenta una componente posizionale) rispetto a quello presente nel volume.

Quando il cristallo liquido è confinato su distanze dell’ ordine della lunghezza di coerenza della fase stessa, si possono verificare transizioni topologiche o strutturali che presentano diverse risposte meccaniche e/o elettro-ottiche.

Generalmente la descrizione viscoelastica di fluidi anisotropi mantiene costante la topologia. Ultimamente la ricerca si è focalizzata su una transizione veloce tra due tipi di tessiture a diversa topologia (BORN). I nematici termotropici sono costituiti da molecole rigide allungate che danno origine ad una fase nematica con ordine uniassiale, generalmente descritta usando un parametro d’ordine scalare S ed un direttore n che rappresenta l’orientazione molecolare media. Tuttavia i nematici uniassiali sotto forti campi elettrici possono presentare un ordine locale transiente sulla scala nanometrica e pertanto la descrizione in termini di n,S non è più adeguata ed occorre una descrizione tensoriale come nel caso del BORN. Il BORN permette la ricostruzione dinamica dell’asse lungo del tensore Q, che rappresenta l’ordine nematico, in una direzione perpendicolare rispetto a quella iniziale, cioè la tessitura nematica può essere ricostruita in una direzione perpendicolare alla direzione iniziale senza alcuna rotazione del direttore n connettendo così tessiture a topologia differente. Inoltre i nematici e gli smettici confinati tra due superfici possono essere studiati con tecniche come l’ Apparato di misura di Forze (SFA) e la Microscopia a forza atomica (AFM). Queste tecniche permettono di misurare le forze che agiscono in un film di dimensioni del nanometro in condizioni di confinamento non omogenee e rivelare quindi transizioni strutturali verso fasi biassiali e misurare la risposta meccanica complessa di un cristallo liquido smettico.

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Distribuzione di difetti e aggregazione guidata di nanoparticelle (NP) in film sottili di cristallo liquido

Proponiamo un approccio bottom-up per la realizzazione di strutture ordinate o allineate su diverse scale di lunghezza, disperdendo NP funzionalizzate in un CL anisotropo. Si possono creare strutture periodiche di difetti topologici in film sottili di CL smettici e colesterici. L’interazione delle NP con il centro del difetto ne permette una distribuzione regolare nello spazio.

Inoltre la dispersione di NP d’oro in un CL nematico, mostra come la loro presenza influenza le sue proprietà elettriche: la sua conducibilità risulta notevolmente ridotta e sopra una certa soglia di campo si inducono fenomeni di elettroforesi.

Infine quantum dots dispersi in un mezzo liquido cristallino, si accumulano nei difetti topologici e la loro posizione può essere controllata per mezzo di un laser che controlli olograficamente una superficie di comando o per mezzo di un campo elettrico.

Quest’ultimo aspetto può essere sfruttato per la realizzazione di dispositivi ottici, fotonici e microfluidici miniaturizzati.

Self Assembled Structures

Applicazioni tecnologiche dei cristalli liquidi: displays, sensori, lasers, reticoli

I nematici ed i colesterici sono materiali interessanti per lo sviluppo di dispostivi ottici ed elettro-ottici. In particolare, per la loro struttura sopramolecolare elicoidale, i CL colesterici possono essere considerati strutture fotoniche in una dimensione. Possiedono infatti molte proprietà peculiari: 100 % riflessione selettiva della luce polarizzata circolarmente e la possibilità di cambiare la lunghezza d’onda della riflessione selettiva variando fattori esterni o interni (campi elettrici, magnetici, temperatura ed ordine locale). In questi anni i CL colesterici sono stati utilizzati per realizzare dispositivi luminescenti, lasers senza specchio, specchi flessibili, sensori di temperatura alla microscala.

Materiali cromonici ed interazioni con le superfici.

I cromonici sono una classe di CL che danno origine a mesofasi in acqua, ma i cui aggregati sono costituiti da molecole non anfifiliche. Questo termine include farmaci, coloranti e nucleotidi del DNA, come i derivati della guanina. Tutti questi materiali sono biocompatibili.

La loro anisotropia ottica può essere sfruttata per amplificare il segnale in immagini ottiche. Infatti i cromonici non sono tossici per molte specie microbiche e non alterano il legame anticorpo-antigene rendendoli candidati rilevanti per la sensoristica in campo biologico. L’interazione dei cromonici con le superfici e l’allineamento che queste ultime possono indurre, è l’argomento del presente campo di ricerca.

Complex and anisotropic fluids

Turbolenza elettroconvettiva

La dinamica del CL nematici in presenza di un campo elettrico esterno, può essere descritta da equazioni non lineari che ricordano il moto convettivo di fluidi e plasmi. Molte proprietà possono quindi essere studiate nel campo della turbolenza, come la generazione di moti vorticosi. In particolare si nota la presenza di strutture a cascata su scale sempre più piccole e la loro dipendenza da parametri sperimentali con una ricca varietà di aspetti tipici dei fluidi complessi.

Gli studi di turbolenza elettroconvettiva si basano sulle osservazioni sperimentali realizzate nel laboratorio Licryl in una vasta gamma di condizioni. Quindi si impiegano analisi dati avanzate mettendo così in evidenza la similarità con la turbolenza ordinaria e le caratteristiche proprie della turbolenza nei CL. I risultati principali sono la caratterizzazione dell’intermittenza nell’elettroconvezione in CL e lo studio dell’effetto sweeping nella turbolenza elettro-convettiva: L’analisi della funzione di autocorrelazione spazio-tempo ha permesso di valutare l’effetto della de-correlazione delle strutture su larga scala sulla turbolenza, fornendo anche la prima evidenza sperimentale del fenomeno.

Tecniche: Microscopio ottico in luce polarizzata (POM), Microscopio confocale, Simulazioni numeriche, Apparato di misura di Forze (SFA) , Microscopio a forza atomica (AFM), Diffusione di raggi X con sorgenti di laboratorio o sincrotrone, Voltammetria, Camera bianca, Laser impulsati UV-Vis, Spettrofotometria e Misure di angolo di contatto.

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Facilities & Labs

LyCril @Rende

People

Federica_ciuchiFederica

Ciuchi

Ricercatore CNR

Alfredo_MazzullaAlfredo

Mazzulla

Ricercatore CNR

michel giocondoMichele

Giocondo

Ricercatore CNR

Luca_Sorriso_valvoLuca

Sorriso-Valvo

Ricercatore CNR

Giuseppe-StrangiGiuseppe

Strangi

Ricercatore CNR

Bruno_ZapponeBruno

Zappone

Ricercatore CNR

MariaPenelope_DeSantoMaria Pia

De Santo

Ricercatore Associato

Pasquale_PagliusiPasquale

Pagliusi

Professore Associato

Gabriella

Cipparrone

Professore Associato

Roberto_bartolinoRoberto

Bartolino

Professore Associato

Riccardo_BarbieriRiccardo

Barbieri

Professore Associato

versaceCarlo C.

Versace

Professore Associato

Publications

  1. Coursault, D.; Zappone, B.; Coati, A.; …. Lacaze, E. “Self-organized arrays of dislocations in thin smectic liquid crystal films” Soft Matter DOI: 10.1039/C5SM02241J (2016)
  2. Gryn I., Lacaze E., Carbone L., Giocondo M., Zappone B. Electric-Field-Controlled Alignment of Rod-Shaped Fluorescent Nanocrystals in Smectic Liquid Crystal Defect Arrays, Adv. Funct. Mat. in press DOI: 10.1002/adfm.201602729
  3. Kasyanyuk D., Pagliusi P., Mazzulla A., Reshetnyak V., Reznikov Y., Provenzano C., Giocondo M., Vasnetsov M., Yaroshchuk O., Cipparrone G. Light manipulation of nanoparticles in arrays of topological defects, Scientific Reports 6, 20742 (2016) DOI: 10.1038/srep20742
  4. Provenzano C., Mazzulla A., Chiaravalloti F., Audia B., Cipparrone G. Topological defects and electro-convective flows in anisotropic fluids: A microfluidic platform for nano-objects tunable structuring. Appl. Phys. Lett. Vol. 109, 7, Article number 071901 (2016) DOI: 10.1063/1.4960635
  5. D. Coursault, J.-F. Blach, J. Grand, A. Coati, A. Vlad, B. Zappone, D. Babonneau, E. Lacaze et al. “Tailoring Anisotropic Interactions between Soft Nanospheres Using Dense Arrays of Smectic Liquid Crystal Edge Dislocations” ACS Nano 9, 11678-11689 (2015) DOI: 10.1021/acsnano.5b02538
  6. I. Gryn, E. Lacaze, R. Bartolino, B. Zappone “Controlling the self-assembly of periodic defect patterns in smectic liquid crystal films with electric fields“, Advanced Functional Materials, 25, 142-149, (2014) DOI: 10.1002/adfm.201402875
  7. D. Coursault, B. H. Ibrahim, L. Pelliser, B. Zappone, A. de Martino, E. Lacaze and B. Gallas “Modeling the optical properties of self-organized thin films of 8CB molecules” Optics Express, 22, 23182–23191, (2014) DOI: 10.1364/OE.22.023182
  8. Infusino M., De Luca A., Ciuchi F., Ionescu A., Scaramuzza N., Strangi G. Optical and electrical characterization of a gold nanoparticle dispersion in a chiral liquid crystal matrix J. Mat.Sci. 49, 4, 1805-1811, (2014) DOI 10.1007/s10853-013-7868-6
  9. Petriashvili G, De Santo MP, Chubinidze K, Hamdi R, Barberi R Visual micro-thermometers for nanoparticles photo-thermal conversion. Optics Express, 22, 14705-14711 DOI: 10.1364/OE.22.014705, (2014).
  10. Tone, C.M., De Santo, M.P., Ciuchi, F. The role of surface energy in guanosine nucleotide alignment: An intriguing scenario, Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 119, 99-105 (2014) DOI 10.1016/j.colsurfb.2014.04.
  11. Pucci D., Mendiguchia B.S., Tone C.M. , Szerb E.I., Ciuchi F. , Gao M. , Ghedini M., Crispini A. Unconventionally shaped chromonic liquid crystals formed by novel silver(i) complexes, J. Mater.Chem.C, 2014, 2, 8780 (2014) DOI: 10.1039/C4TC01736F
  12. Carbone, F., Sorriso-Valvo, L. Experimental analysis of intermittency in electrohydrodynamic instability EPJE 37, 61, pp. 1-11 (2014) DOI: 10.1140/epje/i2014-14061-x

Other Selected Publications:

  1. Hamdi R, Lombardo G, De Santo MP, Barberi R Biaxial coherence length In a nematic π-cell. EPJ E, vol. 36, N 115. DOI:1140/epje/i2013-13115-y (2013).
  2. Petriashvili G, Japaridze K, Devadze L, Zurabishvili C, Sepashvili N, Ponjavidze N, De Santo MP, Matranga MA, Hamdi R, Ciuchi F, Barberi R Paper like cholesteric interferential mirror. Optics Express, vol. 21, p. 20821-20830, DOI: 10.1364/OE.21.020821, (2013).
  3. Tone, C.M., De Santo, M.P., Buonomenna, M.G., Golemme, G., Ciuchi, F. Dynamical homeotropic and planar alignments of chromonic liquid crystals, Soft Matter 8, 8478-8482 (2012) DOI:10.1039/c2sm26021b
  4. Ruths and B. Zappone, ” Direct nanomechanical measurement of an anchoring transition in a nematic liquid crystal subject to hybrid anchoring conditions“, Langmuir 28, 8371-8383, (2012) DOI: 10.1021/la204746d
  5. D. Coursault, J. Grand, B. Zappone, H. Ayeb, G. Lévi, N. Félidj and E. Lacaze, “Linear self-assembly of nanoparticles within liquid crystal defect arrays“, Advanced Materials 24, 1461–1465, (2012) DOI: 10.1002/adma.201103791
  6. Mazzulla A, Petriashvili G, Matranga MA, De Santo MP, Barberi R Thermal and electrical laser tuning in liquid crystal blue phase I. Soft Matter, 8, 4882-4885, DOI: 10.1039/c2sm25197c (2012).
  7. B. Zappone, C. Meyer, L. Bruno and E. Lacaze, “Periodic lattices of frustrated focal conic defect domains in smectic liquid crystal films“, Soft Matter, 8, 4318–4326, (2012) DOI: 10.1039/c2sm07207f
  8. Carbone, F., Vecchio, A., Sorriso-Valvo, L. Spatio-temporal dynamics, patterns formation and turbulence in complex fluids due to electrohydrodynamics instabilities European Physical Journal E 34 (8), 75, (2011) DOI: 10.1140/epje/i2011-11075-x
  9. Carbone, F., Sorriso-Valvo, L., Versace, C., Strangi, G., Bartolino, R. Physical Review Letters Anisotropy of spatiotemporal decorrelation in electrohydrodynamic turbulence 106 (11), 114502 (2011) DOI: 10.1103/PhysRevLett.106.114502
  10. Ayeb H, Lombardo G, Ciuchi F, Hamdi R, Gharbi A, Durand G, Barberi R Surface order reconstruction in nematics. Phys. Lett., vol. 97, 104104. DOI:10.1063/1.3455885 (2010).

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    Il programma dettagliato dell’evento è disponibile al linkhttp://www.nanoinnovation2019.eu/

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