Soft matter: polimeri, colloidi, cristalli liquidi

LCANI

Reazioni degli alcani ........................................................................................................................... 13

3.2 ................................................................................................................................................................ 13

1

Cos’è la soft matter?

1. fu introdotto per la prima volta negli anni ’70 dal fisico Pierr-Gilles

Il termine soft matter de

Gennes. studio della materia fisicamente “soft” ovvero quello

Questo termine si riferisce allo stato di

materia che non si trova allo stato gassoso ma è condensata ed esibisce proprietà sia dello stato di

liquido sia di solido in quanto si comporta come un fluido, possiede elevata viscosità e può subire

deformazioni elastiche: ha un comportamento viscoelastico che è tempo-dipendente.

La soft matter è in grado di dare grandi risposte in seguito a piccoli stimoli.

Per descrivere questi sistemi complessi viene utilizzata sia la termodinamica che la cinetica

chimica, dalle quali sono dipendenti.

In particolar modo, lo studio della soft matter si basa sulla chimica delle interazioni secondarie

(interazioni a corto raggio) , ovvero quelle interazioni che si creano tra le varie molecole come

legami ad idrogeno, legami di Van der Walls (…) insomma, tutto ciò che non a niente a che vedere

con i legami primari come quello covalente, il quale una volta eliminato provoca la distruzione

della molecola intera.

La soft matter, nel caso di materiali amorfi, è sempre caratterizzata da una temperatura di

transizione vetrosa prima della quale l’oggetto in questione presenta un comportamento fragile, e

dopo la quale assisteremo ad un comportamento “liquid-like” ovvero comportamento viscoelastico.

Fig. 1 Elementi della soft matter

1.1 Caratteristiche della Soft matter

Le caratteristiche della soft matter possono dipendere da diversi fattori:

1. Natura delle interazioni

2. Gradi di libertà ed ordine

3. Superfici e dimensioni

4. Scala di lunghezza e tempo

Nella “hard condensed matter”, come nel caso di solidi cristallini come Si o Cu i forti legami

covalenti o metallici sono in grado di dare resistenza e elevata energia di coesione (energia per

separare gli atomi) alla struttura. La soft matter invece è caratterizzata da legami deboli,di

, legami dello stesso ordine di magnitudine dell’energia termica UkT

interazione tra molecole i

fortemente dipendenti dalla distanza tra una molecola e l’altra

quali sono (diventano molto

significanti per distanze dell’ordine dei nm) . Questi legami, fortemente dipendenti dalla

temperatura, possono esser quindi facilmente rotti e ricreati, basta pensare ai legami ad idrogeno 2

che caratterizzano l’acqua dove i legami si creano e distruggono in continuazione (allo stato

liquido).

In Tab.1 sono riportate le magnitudini e le distanze per le varie tipologie di legami

Tab. 1 Tipologie di interazioni

Es. Poliammide (Nylon) n T (°C)

fus

2 598

3 538

4 532

5 546

6 506

Quando n è pari si creano più legami ad

idrogeno che donano una percentuale di

cristallinità maggiore al solido che

presenta quindi un p.to di fusione più

elevato

Fig. 2 Nylon 6-6, 7-7

influisce sull’energia come si può vedere anche nell’esempio

La tipologia di legame del nylon dove

il numero di legami influisce sulla temperatura di fusione.

La temperatura è ciò che governa la tipologia di interazioni, infatti, se valutiamo l’espressione

∆ = ∆ − ∆

vediamo come questa sia in grado di aumentare o diminuire la rilevanza dell’entropia del processo.

Con il termine interazione, in generale, ci riferiamo ai fenomeni di attrazione e repulsione che

di uno sull’altro.

possono coesistere anche se si avrà la predominanza

Le molecole tendono ad aggregarsi tra di loro per minimizzare l’energia interfacciale:quando questo

∆ < 0

avviene si assiste ad un ordine del sistema ed il in quanto è un processo entalpicamente

favorito ma entropicamente sfavorito ∆ < 0,

Poiché per avere un processo termodinamicamente favorito ho bisogno che il e, visto che

∆ = − > . ∆ > 0

con

T>0 avrò bisogno di un Per la TD abbiamo che per un

processo spontaneo dove “creo disordine”, ma quando creo dei legami (e quindi abbasso l’entalpia)

diminuisco i gradi di libertà bloccando alcuni movimenti e quindi diminuisce l’energia.

Nella soft matter piccole fluttuazioni termiche sono fondamentali in quanto in grado di favorire

legami o distruggerli. Le strutture inoltre sono molto variabili, infatti, prendendo come esempio un

polimero, esso può assumere diverse forme in relazione al suo grado di cristallinità. 3

Il DNA è una classica struttura costuita da catene di proteiche (polmeri ) differenti, legati tra di loro

tramite legami ad idrogeno. (vedi Fig.3) Fig. 3 ADENINA complementare alla

TIMINA ha 2 legami ad H, mentre la

GUANINA, complementare alla CITOSINA,

presenta 3 legami ad H

Per quanto riguarda le dimensioni dei nostri oggetti, a parità di volume, se diminuiamo il volume

aumenterà l’area superficiale ed anche la reattività del sistema, quindi avremo una tensione

Infatti, all’aumentare

superficiale elevata ed un sistema altamente energetico (vado contro la TD).

di A, aumenta anche il numero di atomi presenti sulla superficie, i quali non sono coordinatamente

completi.

= ( ) Energia per unità di superficie

,

Per creare questa tipologia di sistemi (es. sistemi nanometrici) devo riuscire a trovare un

compromesso tra TD e cinetica chimica creando una stabilizzazione.

ad un elevata area superficiale corrisponde un’elevata

Esempi pratici in grado di dimostrare che

tensione superficiale sono le zampe del geco.

Questo inftti è in grado di creare forze di Van der Walls con le superfici con cui entra in contatto in

m

quanto possiede delle setole di dimensioni del 4

Anche le foglie dei fiori di loto sfruttano le proprietà di setole per creare superfici idrofobiche.

L’acqua non è in grado di interagire con la superficie a causa di una “cera”che permette

l’interazione dell’acqua con le impurezze che vengono portate via.

Le strutture sono inoltre fortemente influenzate dalla loro lunghezza, infatti, basti pensare ad un

polimero: al variare del numero di atomi di carbonio presenti nella catena avremo differenti PM e

soprattutto differenti strutture in fasi diverse come mostrato in Tab.2

Tab 2 Composti del metilene con formula H-(-CH -) -H

2 n

Incrementando il numero n, possiamo notare un graduale passaggio dallo stato gassoso a quello di

liquido, solido,fibre (…) in quanto incrementando la lunghezza della catena incremento la

(aumenta la possibilità di “imbrigliarsi”

complessità del sistema esempio degli spaghetti) ed

anche le costanti di tempo: applicando una forza infatti, i sistemi reagiranno in maniera differente. 5

2. Forze, energia e scale di tempo

2.1 Temperatura

Come già specificato precedentemente, la temperatura è un parametro fondamentale nella soft

matter poiché le strutture risultano molto sensibili a causa delle deboli interazioni che le

−21

= 4,14 × 10 J a 300K);

caratterizzano. (UkT è ovvio che possiamo giocare quindi con la

temperatura per rendere un processo più o meno favorevole.

La temperatura è legata anche al concetto di transizione di fase, infatti differenti popolazioni di

molecole sono legate a questo parametro.

Al variare della temperatura, o della pressione siamo in grado di cambiare lo stato di equilibrio della

nostra sostanza. All’aumentare della temperatura aumentiamo di conseguenza anche l’energia

cinetica che rende le interazioni intramolecolari trascurabili: ci troviamo nello stato gassoso dove

ogni singola molecola si comporta in maniera indipendente.

Diminuendo la temperatura invece abbasso anche l’energia cinetica del sistema creando così uno

stato maggiormente ordinato dove le molecole hanno maggior probabilità di incontrarsi e interagire

creando legami. Solido cristallino

Liquido

Gas

Ad ogni transizione di fase è associato anche un trasferimento di energia definito calore latente

Q=h oppure Q=h il quale è definito come la

LV SL

variazione di entalpia del sistema lungo la linea di

transizione di fase.

( )

( ) =

1

( ) 6

2.2 Transizioni di fase

In un gas ideale le molecole sono cosi distanti che si può assumere che non ci siano attrazioni o

repulsioni tra di loro. Questa assunzione è valida per temperature abbastanza distanti da quelle di

equilibrio tra due fasi. Nel caso della materia condensata come solidi e liquidi invece, le forze

intermolecolari diventano elevate e fondamentali tanto da non esser più trascurabili ma struttura

portante.

Le forze attrattive sono in grado di far interagire le molecole per creare dei legami: sono la causa

della condensazione della materia, a differenza delle forze repulsive che sono invece opposte e

tendono a far respingere le molecole. 1)Repulsione tra i nuclei

2)Repulsione tra le nubi elettroniche

3)Attrazione tra nucleo e nuvola elettronica

opposta

Si tratta di forze di tipo Coulombiano

l’ordine di magnitudine delle interazioni rispetto all’energia termica

Nel contesto della soft matter

diventa fondamentale. Se l’energia di legame è molto maggiore dell’energia termica la probabilità

di rottura è minima e quindi ci troveremo in uno stato condensato della materia, al contrario, se le

due energie sono comparabili c’è una buona probabilità che il legame si rompa e si riformi a seguito

dell’agitazione termica.

Se i legami sono molto più forti della kT ci troviamo nel campo dei legami chimici o permanenti

covalenti), ovvero legami primari difficili da rompere a causa dell’elevata energia

(come quelli

richiesta (inoltre quando vengono rotti distruggo la molecola), invece, se i legami sono più deboli di

kT allora ho processi reversibili, sono nel campo dei legami secondari come quelli di VdW e H che

possono esser facilmente distrutti e ricreati.

2.3 Tipologia di interazioni

Forze di Van der Walls e Interazioni Dipolo-Dipolo

Si tratta di un legame debolissimo tra molecole neutre, non cariche. Sono dovute alla mobilità

degli elettroni nella nube elettronica. Nel tempo limitato possono esistere momentanee

discrepanze di carica nell’atomo. 7

Ogni atomo o molecola ha deboli e temporanee flu