Cristalli liquidi e nanoscienza

Percorsi didattici e approfondimenti per le scuole secondarie di secondo grado

A cura di Valentina Domenici e Sandro Jurinovich nell'ambito delle attività del gruppo "Cristalli Liquidi"
della Scuola Nazionale di Didattica della Chimica "Giuseppe Del Re" (edizione 2021-2022)

Le nanoscienze nell'insegnamento della chimica di base

La Scuola Nazionale di Didattica della Chimica "Giuseppe Del Re" ha dedicato l'edizione 2021-2022 al tema "Le nanoscienze nell’insegnamento della Chimica di base - Una sfida e una opportunità" ed ha organizzato alcune sessioni tematiche alle scienze dei materiali e nanomateriali, affrontando aspetti teorici e sperimentali delle nanoscienze che possono essere affrontati a scuola a vari livelli di approfondimento. Il gruppo coordinato da Valentina Domenici e Sandro Jurinovich si è concentrato su una particolare classe di materiali che rientrano nella cosiddetta "SOFT MATTER" ovvero i " Cristalli Liquidi" .

Introduzione

La chimica è una scienza trasversale la cui comprensione è fondamentale per affrontare argomenti e tematiche molto attuali, come le nanoscienze e le nanotecnologie, che si basano sulle proprietà della materia nella scala dei 'nanometri' e sulla possibilità di controllare le proprietà chimiche e fisiche delle molecole. L'organizzazione delle molecole nella scala che va dai nanometri ai micron è fondamentale per tutta una classe di materiali che fanno parte della 'soft matter', e in particolare dei cristalli liquidi. I cristalli liquidi fanno parte della nostra vita grazie, ad esempio, ai display a cristalli liquidi che troviamo in molti dispositivi, dai cellulari ai televisori, il cui funzionamento è legato ai cosiddetti cristalli liquidi termotropici, e ai saponi utilizzati per detergere, le cui proprietà sono tipiche dei cristalli liquidi liotropici.

Il percorso che abbiamo proposto si divide quindi in due parti. La prima parte del percorso è centrata sulla introduzione ai cristalli liquidi termotropici, che può essere proposta a livello di biennio delle scuole secondarie di II grado, in quanto associato all'argomento degli stati della materia, alle proprietà chimiche e fisiche delle sostanze chimiche, e ad alcune proprietà ottiche, con elementi interdisciplinari tra la chimica e la fisica. La seconda parte del percorso è centrata sui cristalli liquidi liotropici e in particolare sui sistemi eterogenei formati da tensioattivi e acqua. In particolari condizioni, i sistemi formati da acqua e tensioattivi formano gli aggregati micellari, le cui caratteristiche chimiche e fisiche si prestano ad essere trattati nel triennio della scuola secondaria di II grado, in quanto si collegano a concetti fondamentali della chimica organica e permettono di capire i principi su cui si basano le strutture organizzate fondamentali per la vita, come le membrane cellulari, presentando quindi elementi interdisciplinari tra la chimica e la biologia.

Scuola Del Re 2021-22 - Introduzione ai cristalli liquidi .pdf

Clicca sui video per vedere le registrazioni degli interventi di Valentina Domenici e Sandro Jurinovich alla Scuola Nazionale di Chimica "G. Del Re" edizione 2021-22 che presentano il laboratorio di introduzione ai cristalli liquidi.

Introduzione ai cristalli liquidi

Valentina Domenici presenta il laboratorio di introduzione ai cristalli liquidi

Cristalli liquidi & STEM

Sandro Jurinovich presenta come misurare la temperatura di transizione di un cristallo liquido termotropico utilizzando Arduino

I percorsi didattici

Il percorso didattico inizia con una introduzione a diversi tipi di materiali con cui tutti abbiamo a che fare quotidianamente, per parlare dei criteri con cui comunemente classifichiamo i materiali e le sostanze chimiche in relazione allo 'stato di aggregazione'. I ragazzi si renderanno presto conto che non tutti i materiali possono essere catalogati tra solidi, liquidi e gassosi, e da qui inizieremo un lavoro di scoperta di una nuova classe di materiali: la soft matter e in particolare i cristalli liquidi. A partire da un modellino molecolare semplice adatto a descrivere i cristalli liquidi termotropici, detti anche calamitici, verrà proposto un esperimento per lo studio delle transizioni di fase (da liquido a nematico e viceversa). Inoltre, le principali proprietà ottiche, come la birifrangenza, saranno oggetto di un secondo esperimento, seguito da un laboratorio alla scoperta di due principali applicazioni dei cristalli liquidi: i termometri termocromici e i display a cristalli liquidi.

Il percorso didattico riguarda un tipo particolare di cristalli liquidi: i cristalli liquidi liotropici, generalmente costituiti da sistemi eterogenei a più componenti. Tra queste un ruolo fondamentale è dato da molecole molto diffuse ed importanti per le loro numerose applicazioni: i tensioattivi. Nel percorso didattico, verranno prima affrontati i concetti basilari necessari per poter comprendere la natura dei tensioattivi, come la polarità, il ruolo della forma delle molecole e la loro struttura chimica, ed in seguito ci si concentrerà sulla discussione degli aggregati che tali molecole possono formare, al di sopra di una particolare concentrazione, in presenza di acqua. Tra questi aggregati i più comuni sono le micelle e la comprensione di alcuni concetti fondamentali dei sistemi micellari è alla base della detergenza. Il percorso teorico è accompagnato da semplici esperienze laboratoriali che hanno lo scopo di rafforzare ed illustrare praticamente i concetti affrontati teoricamente.

Link, riferimenti utili e approfondimenti

Introduzione ai cristalli liquidi

Due interessanti articoli introduttivi al mondo dei cristalli liquidi pubblicati nella rivista "La Chimica nella Scuola" nel 2010-2011, a cura di Alessandro Marchetti e Valentina Domenici, Dipartimento di Chimica e Chimica Industriale dell'Università di Pisa.

Ordine, disordine e la complessità del mondo parzialmente ordinato tra aspetti chimico-fisici e applicazioni tecnologiche

Tra i materiali parzialmente ordinati che rientrano nella cosiddetta “soft matter”, i cristalli liquidi continuano a stimolare la ricerca nel campo dei nuovi materiali. È il caso degli elastomeri liquido-cristallini, noti per la proprietà di modificare la forma, in modo reversibile, quando sottoposti a stimoli esterni. Ci spiega tutto Valentina Domenici in questo articolo introduttivo pubblicato nella rivista "La chimica e l'industria" (2019)

Liquid crystals: a new topic in physics for undergraduates

In questo articolo pubblicato su European Journal of Physics gli autori presentano un percorso didattico sui cristalli liquidi mostrando le connessioni tra il mondo dei cristalli liquidi e la termodinamica, l'ottica e l'elettromagnetismo.

Una introduzione (breve) ai cristalli liquidi e alcune considerazioni didattiche

In questo breve articolo pubblicato sul giornale del Dipartimento di Chimica e Chimica Industriale Il Piccolo Cimento Valentina Domenici spiega brevemente alcune considerazioni didattiche sull'importanza di introdurre i cristalli liquidi a livello di scuola secondaria di II grado.