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
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.
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).
C.
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updated 27 October 2003 (CZ)