National Interest Co-Financed Research Projects ("PRIN"). Year 2003 (duration 2004-2005)

Title: Liquid crystals and macromolecules for nano-organised structures


Programma di Ricerca scientifica a cofinanziamento di Interesse Nazionale (PRIN) Anno 2003 (durata 2004-2005)

Titolo: Cristalli liquidi e macromolecole per strutture nano-organizzate


Coordinator: Prof. Claudio Zannoni

Dipartimento di Chimica Fisica ed Inorganica,
Università di Bologna,
viale Risorgimento 4 , 40136 Bologna,
ITALY
Tel: +39-051-644-7012(Direct)
Fax: +39-051-644-7012(Direct); +39-051-209-3690 (Dept.)
e-mail: Claudio.Zannoni@cineca.it

Research Units

Unità Afferenti e Responsabili di Unità

  1. Politecnico di Milano, Dip. di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica "G. Natta" (Prof. G. Allegra)
  2. Università di Napoli, Dip. di Chimica (Prof. V. Barone)
  3. Università della Calabria (Prof. G. Chidichimo)
  4. Università di Bologna (Prof. G. Gottarelli)
  5. Università di Catania (Prof. D. M. Grasso)
  6. Università di Padova (Prof. G. Moro)
  7. Università di Pisa (Prof. C.A. Veracini)
  8. 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 leading to the building up and control of ordered molecular organizations from the nanoscale level. We shall combine strong expertise in liquid crystals and macromolecules to tackle systems of increasing complexity and to actually prepare and characterize some of these organized
systems. Various of the materials we wish to consider, e.g. better anisotropic polymers, novel bulk ferroelectric nematic phases, chiral ferro or anti ferroelectric smectics, photoresponsive elastomers, 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 use the knowledge obtained to improve applications of technological interest, e.g. direct and reverse mode polymer dispersed liquid crystals (PDLC) for electro-optic applications. We also intend to apply the methods developed to tackle some problems of biological interest, e.g. the effects of anisotropic environment and of adsorption on ordering and folding of some proteins.
We shall rely on the variety of methodologies: advanced quantum chemical modeling, atomistic and coarse grained Monte Carlo and Molecular Dynamics computer simulations, synthesis, nanocalorimetry, SAXS, WAXS and spectroscopic methods ranging from magnetic resonance techniques (NMR, ESR) to fluorescence, CD, available to our teams, and on the expertise and coordination levelthat the participating teams have developed collaborating liquid crystal systems, in particular with the support, in the last five years, of three previous PRIN grants. In these successful biennial projects (78 papers published on international journals in the first, 84 in the second and 48 in the first year of the third) we have been concerned with simpler liquid crystals. Here we intend to base on that work and move towards more complex and macromolecular systems. We have thus involved some leading polymer groups with experience in theory, modelling, characterization and synthesis to complement our expertise. We believe that advances in building nano-organized materials will involve advances in modelling and simulations, in particular moving towards computational tools with predictive capabilities. We have thus now included a leading group in quantum chemistry and DFT, also with the intent to develop better potentials and models for atomistic computer simulations. At the same time we shall continue to improve molecular level models on one hand adding details (arbitrary shape, charge distributions, flexibility, chirality) and on the other extending them to deal (at a level of complex beads and spring approach) with anisotropic polymers and with nanoconfined environments with
complex surfaces. Static and dynamic properties will be considered, including rheological ones. We shall then deal with systems that go from nematics to molecular materials and some systems of technological (PDLC, Polymers, Liquid Crystal Elastomers, Filled Nematics, Microemulsions) and of biological (Proteins, Model Membranes) interest.

Sintesi del Programma di Ricerca:

L'obiettivo generale di questo programma e' di contribuire alla comprensione del meccanismo che porta alla formazione e al controllo di organizzazioni molecolari ordinate a partire dal livello nanometrico. Ci proponiamo di combinare la nostra consolidata esperienza nei cristalli liquidi (LC) e nelle macromolecole per studiare sistemi a complessita' crescente e preparare concretamente e caratterizzare alcuni di questi sistemi organizzati. I vari materiali che intendiamo considerare, ad. es. migliori polimeri anisotropi, nuove fasi nematiche ferroelettriche, smectici chirali ferro o anti-ferroelettrici, elastomeri fotoresponsivi e fasi "a nastro" possono essere preparati o migliorati solamente attraverso una migliore comprensione delle caratteristiche molecolari essenziali contenute nei loro elementi costitutivi fondamentali. Utilizzeremo le conoscenze acquisite per migliorare applicazioni di interesse tecnologico, ad. es. materiali "polymer dispersed liquid crystals" (PDLC) sia "direct" che "reverse mode" per applicazioni elettro-ottiche. Intendiamo anche applicare i metodi sviluppati per affrontare alcuni problemi di interesse biologico, ad es. l'effetto dovuto all'ambiente anisotropo o all'interazione con superfici sull'ordine e sul "folding" di alcune proteine. Utilizzeremo metodologie diversificate: modellazione di chimica quantistica avanzata, simulazioni al calcolatore atomistiche e su modelli molecolari a "grana grossa" Monte Carlo e Molecular Dynamics, sintesi, nanocalorimetria, SAXS, WAXS e metodi spettroscopici che vanno da tecniche di risonanza magnetica (NMR, ESR) alla fluorescenza e CD, disponibili ai nostri gruppi, e ci baseremo sull'esperienza e sul livello di coordinazione che i gruppi partecipanti hanno sviluppato collaborando allo studio di sistemi liquido cristallini, in particolare con il supporto, negli ultimi cinque anni, di tre precedenti finanziamenti PRIN. In questi progetti biennali tutti coronati da successo (78 articoli pubblicati su riviste internazionali nel primo progetto, 84 nel secondo e 48 nel primo anno del terzo) ci siamo occupati di cristalli liquidi piu' semplici. Qui intendiamo basarci su quel lavoro e dirigerci verso sistemi piu' complessi e macromolecolari. Abbiamo, per questo motivo, coinvolto alcuni tra i principali gruppi che si occupano di polimeri con esperienza in teorie, modellazione, caratterizzazione e sintesi a complemento della nostra esperienza. Crediamo che gli sviluppi nella costruzione di materiali nano organizzati richiedano progressi nella modellazione e nella simulazione, in particolare muovendo verso strumenti computazionali dotati di capacita' predittive. Abbiamo, per questo, coinvolto uno dei principali gruppi di chimica quantistica e DFT anche con l'intento di sviluppare migliori potenziali e modelli per simulazioni al calcolatore atomistiche. Allo stesso tempo continueremo a migliorare i modelli a livello molecolare, da una parte aggiungendo dettagli (forma arbitraria, distribuzione di carica, flessibilita', chiralita') e dall'altra estendendoli per trattare (con un approccio di tipo "beads-and-spring" generalizzato) polimeri anisotropi e ambienti nanoconfinati caratterizzati da superfici complesse. Verrano studiate proprieta' statiche e dinamiche
comprese quelle reologiche. Ci occuperemo successivamente di sistemi che vanno dai nematici ai materiali molecolari e ad alcuni sistemi di interesse tecnologico (PDLC, polimeri, elastomeri liquido cristallini, "filled nematics", microemulsioni) e biologico (proteine, membrane modello).
 
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updated 27 October 2003 (CZ)