Le principali linee di ricerca riguardano il raggiungimento di una
migliore comprensione dei meccanismi che regolano la formazione di
strutture specifiche e le proprieta' statiche e dinamiche in
materiali liquido cristallini a basso e alto peso molecolare. Le
tecniche spaziano dai metodi teorici e di simulazione al
calcolatore Monte Carlo e molecular dynamics atomistiche e coarse
grained, alla spettroscopia ESR, NMR ecc.. L'attivita' di ricerca
teorica riguarda l'esecuzione di simulazioni al calcolatore per la
determinazione di transizioni di fase, ordine a corto e lungo
raggio, organizzazioni molecolari in sistemi macroscopici liquido
cristallini uniassiali, biassiali, associati, polari, confinati in
film sottili, e con fibrille polimeriche disperse. La ricerca
sperimentale riguarda studi con tecnica spin probe ESR di materiali
confinati (filled nematics, cristalli liquidi dispersi in polimeri
(PDLC, H-PDLC)) e, piu' recentemente, di cristalli liquidi
fotoresponsivi drogati con derivati azobenzenici o nanoparticelle.
La maggior parte delle attività di ricerca del
Prof. C. Zannoni e del suo gruppo riguarda lo studio dei cristalli
liquidi (LC) e dei materiali anisotropi utilizzando modelli
teorici, simulazioni al calcolatore e varie tecniche
spettroscopiche. Questa attività ha portato alla pubblicazione di
circa 250 lavori su riviste internazionali (H-index=40) o in libri
multi-autore, in particolare su: modellazione e simulazioni al
calcolatore (Monte Carlo, molecular dinamics) sia su modelli a
reticolo (Lebwohl-Lasher), che a risoluzione molecolare (Gay-Berne)
e atomistica, e teorie statistiche di cristalli liquidi in massa o
confinati.
I modelli a reticolo sono usati per studiare
le proprietà orientazionali e le transizioni di fase per una
varietà di sistemi in massa, 3D, 2D, e 1D, ma anche per modellare
display LC e per simulare difetti di goccioline e film ibridi anche
in presenza di campi esterni. Sono stati studiati sistemi
nanoconfinati, in particolare gli effetti dell'ordine e della
memoria indotta dalla presenza di nanoparticelle e fibrille
polimeriche disperse in nematici. Abbiamo studiato optical textures
al microscopio polarizzatore di nematici uniassiali e biassiali e
stiamo generalizzando a film e sistemi nanoconfinati piu' complessi
queste simulazioni.
I sistemi Gay-Berne (GB) sono basati su
modelli a risoluzione molecolare utilizzati per studiare varie fasi
anisotrope in massa e le loro transizioni di fase, e per modellare
proprietà di cristalli liquidi originate da semplici cambiamenti
nella struttura molecolare, in particolare a causa di variazioni di
forma (allungata, discotica, rastremata, a scodella) o effetti
elettrostatici. Abbiamo simulato a livello molecolare display a
cristalli liquidi e sviluppato versioni generalizzate del
potenziale GB che considerano forme uniassiali, chirali, soffici e
deformabili. Usando questi modelli siamo riusciti a simulare
nematici biassiali termotropici e nematici ferroelettrici
progettati a partire da molecole rastremate combinando
opportunamente le interazioni repulsive ed attrattive. Abbiamo
ulteriormente esteso il modello GB per modellare polimeri LC ed
elastomeri massivi e nanoconfinati usando modelli anisotropi con
catene o reticoli di mesogeni GB collegati da molle a rappresentare
i legami. Siamo ora interessati allo studio di: (1) LC con
l'inclusione di nanoparticelle, fullerene e nanotubi; (2)
simulazione delle proprietà di bagnabilità di superfici.
Simulazioni atomistiche di cristalli liquidi.
Modelliamo la geometria e la distribuzione di carica di molecole
liquido cristalline con tecniche di chimica quantistica per poi
simulare e prevedere, mediante simulazioni di dinamica molecolare,
le loro proprietà e transizioni di fase. Recentemente siamo
riusciti ad ottenere temperature di transizione di fase di LC, ed a
riprodurre e prevedere per la prima volta le proprietà dettagliate
di cristalli liquidi (ad es. cianobifenili) ed il loro allineamento
vicino a superfici solide (silicio, vetro). Abbiamo anche studiato
mediante simulazioni atomistiche una varietà di materiali
funzionali organici per applicazioni in elettronica organica,
investigando il rapporto tra trasporto di energia e/o di carica e
l'organizzazione molecolare. Siamo ora interessati ad
estendere l'attività predittiva atomistica su altre interfacce
solide e liquide. Riguardo le applicazioni in elettronica organica
siamo particolarmente interessati anche al processo di ordinamento
indotto da superfici e sulle proprietà che ne scaturiscono.
Abbiamo sviluppato teorie e metodologie di
analisi dati per lo studio e la caratterizzazione di materiali
liquido cristallini, compresi polimeri e membrane lipidiche, con
varie tecniche: depolarizzazione di fluorescenza, ESR, NMR,
rilassamento dielettrico, in particolare per la determinazione dei
loro parametri d'ordine e delle proprietà dinamiche. Siamo ora
interessati a utilizzare metodi ESR basati su sonde paramagnetiche
(spin probe) per studiare fasi nematiche con nanoparticelle
disperse ed esaminare le variazioni nell'ordine e nella dinamica
cosi' indotti.
