Appunti di chimica

Proprietà chimico-fisiche dei polimeri e cristalli liquidi

Per migliorare le proprietà chimico-fisiche di un polimero si uniscono monomeri differenti, alternandoli in vari modi. Esistono 2 tipi di polimerizzazione:

• Polimerizzazione a catena: vengono aggiunti uno dopo l'altro i monomeri alla catena loro (di solito si generano per poliaddizione)
• Polimerizzazione a stadi: si generano varie catene contemporaneamente che continuano a crescere, collegandosi tra loro (di solito si generano per policondensazione)

I cristalli liquidi sono composti da molecole organiche (lunghe e strette) che possiedono grandi proprietà liquido-cristalline. Queste sostanze non presentano esclusivamente uno stato liquido ed uno cristallino, ma in particolari circostanze sono in grado di organizzarsi in fasi intermedie, dette mesofasi, che presentano caratteristiche sia liquide che solide contemporaneamente.

I cristalli liquidi si possono considerare come fluidi altamente anisotropi che coesistono tra una fase liquida isotropa ed una fase

Il testo descrive le mesofasi, che sono fasi intermedie tra i liquidi e i cristalli, caratterizzate da una struttura cristallina altamente ordinata. L'esistenza delle mesofasi è dovuta ad una particolare configurazione che le molecole possono assumere.

Alle proprietà tipiche della fase liquida (fluidità e mobilità molecolare) e della fase solida (anisotropia ottica ed elettrica) si aggiungono delle proprietà tipiche solo dei cristalli liquidi:

• Capacità di variare grado di ordine grazie a campi magnetici ed elettrici
• Capacità di cambiare colore in base alla temperatura
• Capacità di organizzare in modo sistematico il soluto in un solvente

I composti possono generare mesofasi in 2 modi differenti (composti mesogeni):

1. Liotropici: si generano mesofasi quando disciolti in un opportuno solvente ad una data concentrazione
2. Termotropici: si generano mesofasi al variare della temperatura o di campi elettrici o magnetici.

I cristalli liquidi termotropici possono essere di 2 forme: discoidali (discotici) o a forma di bastone (calamitici).

altro atomo in un sito diverso del solido.

Deformabilità: gli elettroni non ostacolano il movimento dei cationi che possono quindi adattarsi alla deformazione mantenendo la struttura.

La struttura risulta quindi essere formata da un insieme di nuclei ordinati, circondati dagli elettroni interni, mentre quelli di valenza sono liberi di viaggiare in tutto il solido, collaborando quindi alla formazione del legame. Anche i nuclei non sono fissi, ma oscillano all'aumentare della posizione intorno ad un punto di equilibrio.

La sovrapposizione di tutti questi orbitali conduce ad orbitali atomici separati da piccolissimi intervalli di energia, tali quindi da formare una banda virtualmente continua.

Dato che le energie degli orbitali p sono diverse dagli altri, se sono presenti nello stesso livello si possono creare intervalli tra le diverse bande (intervallo di banda o band gap). In termini formali, per combinazione di N orbitali atomici si formano N orbitali molecolari aventi N-1 nodi.

Elettroni non hanno vincoli ad essere promossi ai vicini livelli liberi quando viene somministrata energia elettrica e quindi il materiale si comporta da conduttore elettronico. Nei solidi metallici le diverse bande si trovano sempre sovrapposte e questo giustifica la loro grande conducibilità elettrica.

La banda di minor livello energetico è detta banda di valenza (VB) mentre quella di massimo livello è detta banda di conduzione (CB).

Se vi sono abbastanza elettroni da riempire completamente la banda di valenza e questa è separata dalla banda di conduzione da un sufficiente intervallo energetico, allora la sostanza è detta isolante elettrico.

Una banda completa e separata da un grande band gap si può considerare come una somma di densità elettroniche localizzate.

In un conduttore metallico la temperatura non agisce esclusivamente sulla distribuzione Fermi-Dirac, ma anche (e soprattutto) sulla vibrazione del reticolo cristallino, limitando la

per cui il numero dei portatori di carica è limitato ed infatti i semiconduttori intrinseci possono sopportare basse densità di corrente elettrica.

Estrinseci: le proprietà di semiconduzione sono dovute al drogaggio del materiale. Il drogaggio ha carattere sostitutivo, per cui l'atomo drogante prende il posto di uno degli atomi del materiale originario. Quest'ultimo rimane elettricamente neutro mentre per ogni atomo drogante si avrà un elettrone di valenza libero in più. La quantità di materiale drogante è minima (1 atomo ogni 10 atomi), per questo è fondamentale la purezza del materiale originario. La grande distanza tra gli atomi donatori porta l'elettrone a rimanere localizzato in un orbitale di tipo atomico e la banda donatrice risulterà molto stretta. Comunemente si sceglie un drogante che l'energia del livello donatore sia prossima a quello della banda vuota.

Se si sostituiscono atomi del V gruppo

a T>0K alcuni elettroni saranno promossi alla banda di conduzione vuota, potendo quindi muoversi liberi nel reticolo cristallino. Quella che ne deriva è detta semiconduzione di tipo n (n sottolinea che gli elettroni portati dal drogante e responsabili della conduzione sono negativi).

Se si sostituiscono invece con atomi del III gruppo, per ognuno si avrà un elettrone di valenza in meno. Il materiale rimane elettricamente neutro e se il livello energetico dell'orbitale vuoto è in prossimità della banda di valenza piena degli elettroni possono essere termicamente promossi. Quella che ne deriva è detta semiconduzione di tipo p (p indica che i vettori di conduzione sono assimilabili a buche positive che accettano elettroni).

Reticoli cristallini (di Bravais)

La forma esteriore di un solido cristallino si può pensare come ripetizione periodica e uguale nello spazio di una cella elementare cristallina. Questa è costituita dal più semplice

Strutture cristalline compatte e metalli

I metalli hanno una densità ben maggiore rispetto ai materiali ionici e covalenti, infatti sono costituiti da strutture cristalline aventi il massimo grado di impacchettamento, ossia possono contenere il maggior numero possibile di cationi per unità di volume.

Rappresentando uno ione metallico come una sferetta, queste si posizioneranno nel modo più compatto possibile: ogni sfera sarà a contatto con altre 6 sfere sullo stesso piano ed ogni piano si posizionerà in modo da lasciare interstizi della dimensione minore possibile.

Nella sovrapposizione si vengono a creare due tipi di interstizi differenti:

• Interstizio ottaedrico (O)
• Interstizio tetraedrico (T)

Con l'aggiunta di un terzo strato si hanno due possibilità:

• Le sfere sono posi