National Interest Co-Financed Research Projects ("PRIN"). Year 2001 (duration 2002-2003)

Title: Liquid crystals for the design, preparation and characterization of novel molecular organizations

Research Units

Unità Afferenti e Responsabili di Unità

1. Università della Calabria (Prof. G. Chidichimo)
2. Università di Bologna (Prof. G. Gottarelli)
3. Università di Catania (Prof. D. M. Grasso)
4. Università di Padova (Prof. G. Moro)
5. Università di Pisa (Prof. C.A. Veracini)
6. Università di Bologna (Prof. C. Zannoni)

Abstract of Research Programme

The general objective of this programme is to contribute to the understanding of the mechanisms that lead to the building up of supermolecular organizations of increasing complexity in liquid crystalline systems and to actually prepare and characterize some of these organized systems. Various of the organizations we wish to consider, e.g. novel bulk ferroelectric or biaxial nematic phases, chiral ferro or antiferroelectric smectics, photoresponsive gels, molecular ribbon phases can only be prepared or improved by a better understanding of the essential molecular features contained in their building blocks.
We shall rely on the variety of methodologies: theoretical modeling, Monte Carlo and Molecular Dynamics computer simulations, synthesis, nanocalorimetry and spectroscopic methods ranging from
magnetic resonance techniques (NMR, ESR) to fluorescence available to our teams and on the expertise and coordination level that the participating teams have developed collaborating on simpler liquid crystal systems, in particular with the support, in the last three years, of two previous MURST PRIN grants. In these two successful biennial projects (78 papers published on international journals in the first and 60 in the first year of the second) we have been particularly concerned with order and dynamics. Here we intend to base on that work, particularly on the relation between molecular structure and order, improving on the first simple generation of models where only very basic features were introduced and adding molecular details (arbitrary shape, electrostatic potential, flexibility, chirality) to improve
interaction models as well as their theoretical treatment (e.g. density functional instead of mean field) and the level of their computer simulations. We shall then deal with systems that go from these seemingly
simple nematics and their mixtures to molecular materials and some systems of technological (Polymer Dispersed Liquid Crystals, Polymer Liquid Crystals, Filled Nematics, Microemulsions) and of biological (Proteins, Bile Acid Salts Surfactants, model membranes) interest. We shall also apply our bottom up approach to the modelling and molecular level interpretation of macroscopic level properties such as defects in liquid crystal films and rheological observables. We shall consider in particular:

• Models for novel ferroelectric and biaxial phases
• Systems where complexity is built bottom up via recognition and self assembly to yield complex nanoarchitectures: guanine ribbon phases, gels and elastomers, chiral nanopores.
• Systems where the presence of the liquid crystalline environment may alter conformational or folding behavior, considering some model biosystems.
• Systems where confinement (as in PDLC) or dispersion of suitable perturbers (like in silica and polymer filled nematics) alter bulk type behaviour, in particular the order and the relaxation dynamics.

L'obiettivo generale del presente programma di ricerca e' quello di contribuire alla comprensione del meccanismo che porta alla formazione di organizzazioni supramolecolari di complessità crescente in
sistemi liquido cristallini e di realizzare e caratterizzare alcuni di questi sistemi organizzati. Diversi esempi di organizzazioni che intendiamo prendere in considerazione, ad esempio nuove fasi ferroelettriche o fasi nematiche biassiali, smettici chirali ferro o anti ferroelettrici, gel fotosensibili, fasi "a nastro", possono essere preparate o migliorate solo attraverso una migliore comprensione delle caratteristiche molecolari di base contenute nei rispettivi "building blocks". Ci affideremo alle varie metodologie: modelli teorici, simulazioni al calcolatore Monte Carlo e Molecular Dynamics, sintesi, nanocalorimetria e metodi spettroscopici che vanno da tecniche di risonanza magnetica (NMR, ESR) alla fluorescenza disponibili presso i nostri gruppi, alla competenza e al livello di coordinazione che i gruppi partecipanti hanno sviluppato, collaborando allo studio di sistemi liquido cristallini piu' semplici, in modo particolare con il supporto, durante gli ultimi tre anni, di due precedenti contributi MURST PRIN. In questi due progetti biennali ci siamo occupati in modo particolare di ordine e dinamica, ottenendo ottimi risultati (78 articoli pubblicati su riviste internazionali per il primo progetto e 60 durante il primo anno del secondo). Nel presente progetto intendiamo partire dal lavoro fatto, in particolare quello sul rapporto tra struttura molecolare ed ordine, migliorando i modelli semplificati di "prima generazione", in cui erano state introdotte solo caratteristiche veramente essenziali, aggiungendo ulteriori dettagli molecolari (forma arbitraria, potenziale elettrostatico, chiralita') al fine di rendere i modelli di interazione più realistici. Intendiamo anche migliorare ulteriormente il trattamento teorico (ad esempio sostituendo modelli "mean field" con modelli "density functional") nonche' il livello delle relative simulazioni al calcolatore, come richiesto per la previsione di nuove fasi. Affronteremo quindi lo studio di sistemi che vanno dagli apparentemente semplici nematici alle loro miscele ai materiali molecolari (sistemi a nanopori chirali) e ai sistemi di interesse tecnologico come (Polymer Dispersed Liquid Crystals (PDLC), Polimeri Liquido Cristallini, Filled Nematics, microemulsioni) e biologico (Proteine, Tensioattivi di sali di acidi biliari). Inoltre applicheremo il nostro approccio bottom up alla modellazione e all'interpretazione a livello molecolare di proprietà macroscopiche come difetti in film di cristalli liquidi e osservabili reologiche. Considereremo in particolare:

• Modelli di nuove fasi, particolarmente ferroelettriche e biassiali
• Sistemi in cui la complessita' si costruisce "dal basso verso l'alto" attraverso un processo di riconoscimento e auto-organizzazione che produce nanoarchitetture complesse: fasi a nastro guaniniche, gel ed elastomeri, sistemi con nanopori chirali.
• Sistemi in cui la presenza dell'ambiente liquido cristallino può modificare la conformazione o il processo di "folding", considerando alcuni biosistemi modello.
• Sistemi in cui il confinamento (PDLC) o la dispersione di "perturbatori" (Filled Nematics) modifica drasticamente ordine e dinamica.

A list of publications produced in the first year (2002).

A meeting of the project was held (Tropea Meeting) in May 2003 to assess the state of the program, discuss collaborations and plan activities for the second year of the project.

 
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updated October 2003 (CZ)