La fase smettica, unitamente alla fase nematica, è stata oggetto di approfondite ricerche sin dalla scoperta dei cristalli liquidi scoperti nel 1888 dal fisiologo botanico austriaco Friedrich Reinitzer che esaminò le proprietà fisico-chimiche di vari derivati del colesterolo ora classificati come cristalli liquidi colesterici costituiti da una molecola chirale che assume un orientamento ad elica
I cristalli liquidi possono presentare una fase nematica che è la struttura più semplice di tutte le mesofasi che hanno proprietà intermedie tra quelle dei cristalli e quelle dei liquidi isotropi e tra esse è la meno ordinata. È caratterizzata da una orientazione unidimensionale delle molecole in virtù delle correlazioni dei lunghi assi molecolari e le molecole tendono a essere orientate parallelamente ma le loro posizioni sono casuali.
La fase colesterica ha una forma distorta del cristallo liquido nematico in cui l’orientamento molecolare subisce una rotazione elicoidale attorno a un asse centrale. Nella fase smettica le molecole sono parallele, ma i loro centri sono impilati in strati paralleli all’interno dei quali hanno posizioni casuali. Il primo cristallo liquido che esibisce una fase smettica fu sintetizzato dal chimico tedesco Daniel Vorländer nel 1902.
Tipi di fase smettica
La fase smettica ha un ordine traslazionale nella direzione perpendicolare agli strati. Nelle due direzioni interne allo strato, le molecole possono possedere vari gradi di ordini traslazionali e di orientamento dei legami per formare un gran numero di fasi smettiche dette paramorfiche che sono indicate con una lettera dell’alfabeto diversa nell’ordine della loro scoperta.
Nella fase smettica A (SmA) le molecole sono disposte casualmente nello strato e la direzione complessiva dei lunghi assi molecolari e la normale dello strato smettico sono parallele. In tale fase i centri di massa delle molecole sono disposti in modo sinusoidale.
La fase smettica B può essere di due tipi ovvero la fase esatica-B (HexB) che è uno stato della materia che si trova tra la fase solida e quella liquida isotropa in sistemi bidimensionali di particelle ed è caratterizzata da due parametri d’ordine: un ordine posizionale a corto raggio e un ordine orientativo a quasi lungo raggio.
Vi è poi la fase cristallina-B (CrB) che è caratterizzata da un lungo ordine di orientamento delle molecole negli strati smettici. La fase smettica C (smC), piuttosto rara, rappresenta una classe unica di fasi di cristalli liquidi caratterizzata dalla disposizione a strati di molecole con orientamenti inclinati rispetto alle normali allo strato.
Cristalli liquidi ionici come composti che hanno un nucleo fenilpirimidinico o azobenzeni imidazolici presentano sia una fase smettica A che quella C. La fase smettica-E (SmE) è caratterizzata da un reticolo esagonale bidimensionale e da un forte impacchettamento a spina di pesce a causa del quale è impedita la rotazione libera attorno al direttore molecolare.
Transizioni di fase e fase smettica
Tutti i cristalli liquidi presentano due temperature caratteristiche: la temperatura di fusione alla quale il cristallo passa dalla fase solida alla fase liquida in cui è presente un certo grado di cristallinità e la temperatura di isotropizzazione in cui il liquido anisotropo perde la sua cristallinità e diventa isotropo. Pertanto la fase nematica si presenta tra la temperatura di fusione e quella di isotropizzazione.
Con l’aumento della temperatura un cristallo liquido ha una temperatura di transizione ben definita da solido a liquido cristallino in cui la coesione tra le molecole è sufficientemente forte da resistere alle forze di separazione associate alle energie cinetiche delle molecole.
Con l’aumento della temperatura la viscosità diminuisce fino a quando non si verifica una seconda transizione dalla fase di cristalli liquidi a un liquido newtoniano isotropo. Questo è il comportamento dei cristalli liquidi nematici in cui le mesofasi sono organizzate entro piani paralleli, ma senza organizzazione sopra e sotto i piani.
Per quanto riguarda i cristalli liquidi smettici in cui c’è ordine tra le molecole sia entro i piani che sopra e sotto i piani con l’aumentare della temperatura mostrano tre temperature di transizione, evidenziabili tramite la calorimetria differenziale a scansione, da solido a fase smettica, da fase smettica a fase nematica e dalla fase nematica alla fase liquida isotropa.