Soft matter: polimeri, colloidi, cristalli liquidi

Chemistry of soft matter

Andrea Pucci (andrea.pucci@unipi.it)
Giulia Giannone

Indice

• Cos'è la soft matter? ................................................................................................... 2
• 1. ........................................................................................ 2
• 1.1 Caratteristiche della soft matter .............................................................................. 6
• 2. Forze, energia e scale di tempo ................................................................................ 6
• 2.1 Temperatura .............................................................................................................. 7
• 2.2 Transizioni di fase ..................................................................................................... 7
• 2.3 Tipologia di interazioni
• Forze di Van der Waals e interazioni dipolo-dipolo ................................................................................... 7
• Interazioni ioniche ................................................................................................................................. 8
• Interazioni ione-dipolo ......................................................................................................................... 8
• Interazioni catione-π .................................................................................................................. 8
• Legame ad idrogeno ............................................................................................................................. 9
• Interazione idrofobica ........................................................................................................................... 9
• 3. ......................................................................................................... 10
• Chimica organica
• 3.1 Alcani ........................................................................................................................................... 12
• Reazioni degli alcani ........................................................................................................................... 13
• 3.2 ................................................................................................................................................................ 13

Cos'è la soft matter?

Il termine soft matter fu introdotto per la prima volta negli anni '70 dal fisico Pierre-Gilles de Gennes. Questo termine si riferisce allo studio della materia fisicamente "soft", ovvero quello 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 Waals, insomma, tutto ciò che non ha 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.

1.1 Caratteristiche della soft matter

Le caratteristiche della soft matter possono dipendere da diversi fattori:

• Natura delle interazioni
• Gradi di libertà ed ordine
• Superfici e dimensioni
• 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, legami dello stesso ordine di magnitudine dell’energia termica U ≈ kT fortemente dipendenti dalla distanza tra una molecola e l’altra (diventano molto significativi 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 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 punto di fusione più elevato.