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Elettrofluorocromismo in cristalli liquidi ionici π-coniugati*

La ricerca di nuovi materiali semiconduttori organici in grado di sostituire quelli più tradizionali come il silicio, riveste oggigiorno un’importanza strategica sia per il mondo accademico che industriale, e va sotto il nome di elettronica organica. La forte attrazione verso questi nuovi materiali è dovuta al loro impiego potenziale nella realizzazione di dispositivi elettronici molto economici, leggeri e flessibili. Innumerevoli a tal proposito, sono stati negli ultimi 20 anni i progetti di ricerca sia nazionali che europei, che hanno visto impegnati studiosi di diversa formazione: chimici, fisici, scienziati dei materiali e ingegneri.

Una classe molto interessante di semiconduttori organici è rappresentata dai cristalli liquidi, materiali capaci di autoassemblarsi in strutture altamente ordinate e per questo in grado di offrire prestazioni superiori rispetto ad altri materiali quali ad esempio i polimeri semiconduttori.

Il lavoro di ricerca qui presentato riguarda lo studio di nuovi cristalli liquidi semiconduttori progettati e sintetizzati per numerose applicazioni optoelettroniche quali: celle elettrocromiche, celle solari e dispositivi elettroluminescenti.

Questo studio è stato interamente condotto presso i laboratori del Dipartimento di Chimica e Tecnologie Chimiche dell’Università della Calabria, ed ha visto la collaborazione di ricercatori afferenti a diversi settori scientifico-disciplinari, sottolineando così l’importanza della multidisciplinarietà in ambiti di ricerca come questo.

Il lavoro pubblicato sulla prestigiosa rivista Nature Communications, ha messo in luce per la prima volta nei cristalli liquidi il fenomeno dell’elettrofluorocromismo. Quest’ultimo consiste nella modulazione della fluorescenza dei materiali a seguito di reazioni di ossido-riduzione causate dall’ applicazione di piccole differenze di potenziale.

I materiali elettrofluorocromici offrono un’ampia gamma di applicazioni tecnologiche quali: dispositivi a memoria, sensori e displays.

Materiali di questo tipo devono essere molto fluorescenti ed al tempo stesso elettroattivi. Fino ad ora, nessuno era riuscito a sintetizzare cristalli liquidi con queste proprietà. Generalmente infatti, l’autoassemblaggio delle molecole nella fase liquido cristallina, causa la perdita della fluorescenza. In questa ricerca, tali limiti sono stati superati con la preparazione di cristalli liquidi basati sui tienoviologeni, che presentano emissioni di fluorescenza tra le più alte mai riportate in letteratura.

Il comportamento elettrofluorocromico dei cristalli liquidi è mostrato in Figura 1. Con l’applicazione di voltaggi inferiori a 2 V la fluorescenza emessa dal materiale aumenta fino a 10 volte rispetto a quella caratteristica del materiale (Figura 1a). Queste differenze di potenziale causano allo stesso tempo un cambiamento del colore del materiale che da rosso diventa nero. Tale fenomeno, meglio conosciuto come elettrocromismo, è illustrato nello spettro UV-visibile di Figura 1b e nelle microfotografie riportate negli inserti della stessa figura.

Figura 1. Risposta elettrofluorocromica (a) ed elettrocromica (b) dei tienoviologeni liquido-cristallini.

Figura 1. Risposta elettrofluorocromica (a) ed elettrocromica (b) dei tienoviologeni liquido-cristallini.

L’applicazione dei tienoviologeni liquido-cristallini in dispositivi elettroottici, è stata studiata monitorando la fluorescenza del materiale sottoposto a cicli di impulsi elettrici di differente intensità e tempo di applicazione (Figura 2). I risultati ottenuti sono estremamente soddisfacenti perché, oltre ad evidenziare la reversibilità della risposta elettrofluorocromica di questi materiali, le prestazioni sono paragonabili a quelle dei migliori materiali finora riportati in letteratura.

Figura 2. Switching di elettrofluorescenza in dispositivi elettroottici.

Figura 2. Switching di elettrofluorescenza in dispositivi elettroottici.

Altro interessante fenomeno osservato è quello dell’induzione della transizione di fase causata dal campo elettrico. Al microscopio ottico in luce polarizzata, il materiale fuso appare scuro (Figura 3a), ma applicando campi elettrici di debole intensità, si osserva la formazione delle strutture tipiche della fase liquido cristallina smettica (bâtonnets di colore rosso; Figura 3b). La rimozione del campo causa il ritorno allo stato isotropo fuso (Figura 3a). Monitorando questo fenomeno allo spettrofluorimetro, si osserva che la fluorescenza del materiale aumenta con il campo elettrico e si sposta notevolmente verso lunghezze d’onda di emissione maggiori (Figura 3c). Questo importantissimo risultato apre la strada al possibile impiego di questi materiali nei modulatori ottici perché, attraverso il fenomeno appena descritto, è possibile modulare anche il colore (lunghezza d’onda) della fluorescenza.

Figura 3. Transizione di fase indotta dal campo elettrico sul materiale fuso (stato isotropo liquido; a) nella fase liquido-cristallina smettica (b). Modulazione del colore di fluorescenza mediante campo elettrico (c).

Figura 3. Transizione di fase indotta dal campo elettrico sul materiale fuso (stato isotropo liquido; a) nella fase liquido-cristallina smettica (b). Modulazione del colore di fluorescenza mediante campo elettrico (c).

*Estratto dall’articolo pubblicato su Nature Communications 2014, DOI 10.1038/ncomms4105

Amerigo Beneduci, Sante Cospito, Massimo La Deda, Lucia Veltri, Giuseppe Chidichimo.

Sante Cospito
12 febbraio 2014


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