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FP7

FREEFLUID Risultato in breve

Project ID: 304040
Finanziato nell'ambito di: FP7-PEOPLE
Paese: Slovenia

Fluidi di materia soffice nano-strutturati

Grazie a fattori quali luce, confinamento e campi esterni, è ora possibile modellare diversi materiali soffici con topologie insolite. I fisici e i collaboratori finanziati dall’UE hanno recentemente ottenuto delle forme partendo dalla matematica, come per esempio profili di flusso complesso, nodi e tassellature complesse.
Fluidi di materia soffice nano-strutturati
I materiali soffici, tra cui polimeri, cristalli liquidi e colloidi nematici, sono promettenti candidati per una nanotecnologia bottom-up. Molti di questi si autoassemblano per formare micro e nano-strutture con specifici ordini e periodicità. Tali materiali possono avere topologie che vanno oltre le semplici forme fisiche e riguardano anche proprietà macroscopiche come risposta ottica, diffusione o risposta a campo magnetico ed elettrico. Tali possibilità hanno ispirato la ricerca al fine di trovare nuovi metodi per ingegnerizzare i materiali con topologie insolite.

Nell’ambito del progetto FREEFLUID (Channelfree liquid crystal microfluidics), finanziato dall’UE, gli scienziati hanno dimostrato di controllare il flusso dei fluidi complessi nematici e l’auto-assemblaggio di strutture 3D selezionate. Al centro del lavoro figurano i liquidi nematici anisotropi, il cui ordine orientazionale delle molecole costituenti, o dei blocchi fondamentali, può essere progettato in modo tale da auto-assemblare strutture con varie funzionalità. Il team FREEFLUID, lavorando a stretto contatto con molti collaboratori, ha progettato molteplici materiali in grado di modellare il flusso in maniera regolabile e ottenere una modellizzazione dinamica della carica topologica controllata dalla luce, nonché in relazione a strutture fluide, tra cui tassellature di Penrose delle piastrine colloidali pentagonali, colloidi annodati e nodi di campo.

Gli scienziati hanno dimostrato il flusso di un cristallo liquido nematico all’interno di canali microfluidici con una sezione trasversale rettangolare, attraverso il lavoro sperimentale e la modellizzazione numerica. Il profilo di flusso e il profilo orientazionale dei cristalli liquidi dimostra tre distinti regimi di flusso, ossia debole, medio e forte, al variare della pressione motrice. Tali regimi sono stati identificati confrontando i dati sperimentali della microscopia ottica polarizzante e le soluzioni numeriche alle equazioni nematofluidiche di moto. Inoltre, il flusso microfluidico dei cristalli liquidi potrebbe essere completamente guidato da sinistra a destra in un semplice micro-canale, applicando gradienti di temperatura trasversali.

Utilizzando una modellazione completamente dinamica, gli scienziati hanno dimostrato che è possibile avere il pieno controllo su creazione, manipolazione e analisi delle cariche topologiche bloccate da una microfibra, in un cristallo liquido nematico. Le coppie caricate in modo opposto sono state create attraverso il meccanismo di Kibble-Zurek da una tempra di temperatura locale indotta da laser, applicata in presenza di superfici con rottura di simmetria.

Le tassellature di Penrose si sono formate negli strati di cristalli liquidi nematici anche mediante modellizzazione numerica. In particolare, le superfici delle particelle sono state progettate per sviluppare in modo efficace le potenzialità di interazione tra le particelle compatibili con la simmetria quasicristallina pentagonale delle tassellature di Penrose. È stato dimostrato che l’affiancamento colloidale è indicato per supportare anche la sostituzione gerarchica dei pentagoni con pentagoni aventi dimensioni più piccole, guidando verso materiali gerarchici e reattivi con multi-frequenza a livello ottico.

Infine, è stato dimostrato che le particelle colloidali annodate interagiscono con il liquido nematico circostante. L’evoluzione dell’annodamento delle particelle e dei nodi di campo è stata osservata mediante il cambiamento di forma da particelle annodate a sfere. I difetti annodati ciclici sono risultati essere collegati tra loro, dunque i difetti sono stati progressivamente ripetuti. Grazie alla morbidezza dei cristalli liquidi nematici, è stato possibile seguire le cariche topologiche.

In sintesi, il set-up di ricerca FREEFLUID ha offerto un controllo interessante del modo in cui le strutture fluide possono essere modellate su micro e nano-scala, utilizzando la modellizzazione numerica ed esperimenti collaborativi. Il risultato apre la strada verso lo sviluppo di materiali soffici funzionali con proprietà senza precedenti per un eventuale uso futuro in settori quali ottica, fotonica e biotecnologia.

Informazioni correlate

Keywords

Materiali soffici, cristalli liquidi, nanostrutture, FREEFLUID, tassellature di Penrose, topologia, auto-assemblaggio, formazione del flusso
Numero di registrazione: 190869 / Ultimo aggiornamento: 2017-01-17