Cristallo liquido

Ingrandimento sotto luce polarizzata di un cristallo liquido nematico.

Spesso associamo i cristalli liquidi ai monitor della televisione e degli smartphone, al mondo della tecnologia e delle moving images. In realtà, con il termine “cristalli liquidi” non si intende uno specifico materiale, ma un passaggio fisico della materia tra lo stato solido cristallino e quello di un liquido isotropo. I cristalli liquidi, infatti, sono un composto organico con particolari proprietà liquido-cristalline e possono essere contenuti anche in tessuti e in organismi.

Nel testo qui tradotto per la prima volta in italiano, Esther Leslie espone tale argomentazione in maniera quasi storiografica, partendo dalla loro scoperta in vitro, avvenuta nel 1888 a opera del botanico austriaco Friedrich Reinitzer dall’osservazione al microscopio di alcune piante, sino al loro inserimento all’interno del mondo della tecnologia e delle telecomunicazioni con il brevetto assegnato nel 1936 alla The Marconi Company Ldt. Dall’applicazione dei cristalli liquidi sulle valvole luminose delle televisioni arriviamo ai più recenti schermi a LED.

Un aspetto interessante che emerge dalla cornice scientifica presentata nel testo, offrendo spunti che amplificano il valore e il senso delle argomentazioni riportate, risiede nel riconoscimento della vitalità del cristallo. Il cristallo liquido è descritto come forma vivente, pulsante, in grado di sviluppare capacità di adattamento e trasformazione a seconda degli stati in cui cresce e matura. Esso attua processi di auto-organizzazione in base alle relazioni che instaura con gli elementi e la materia con cui entra in contatto. La sua struttura fluida e l’attitudine anisotropica rendono il cristallo liquido un elemento in transizione, una fase interstiziale, che costituisce strutture più complesse. Se il cristallo, spiega Leslie, è entrato a far parte della nostra contemporaneità e della nostra vita fino diventarne parte costitutiva, allo stesso tempo esso viene presentato come una metafora attraverso cui individuare e spiegare fenomeni che possiedono configurazioni simili ma che appartengono ad altri ambiti di studio, come per esempio l’economia e l’urbanistica.

Copertina del libro di Esther Leslie, Liquid Crystals. The Science and Art of a Fluid Form (2016)

Il testo è stato pubblicato per la prima volta nel 2018 in occasione della mostra Liquid Crystal Display curata da Laura Sillars e Angelica Sule alla Site Gallery di Sheffield, Regno Unito. Il comunicato stampa inizia annunciando: «Viviamo in un’“era cristallina”, in un mondo di immagini supportate e diffuse dalle tecnologie dei cristalli minerali». In esso si spiega di quanto oggi siamo circondati dai cristalli liquidi presenti nei nostri dispositivi digitali, ma anche di quanto questi siano stati storicamente affiancati a guarigioni mistiche e a pratiche alchemiche. Le parole di Leslie hanno dato una cornice teorico-scientifica alle opere degli artisti coinvolti: Waad AlBawardi, Lise Autogena & Joshua Portway, Ralf Baecker, Anna Barham, Karen David, The Crystal World (Jonathan Kemp, Martin Howse, Ryan Jordan), Liliane Lijn, Ann Lislegaard, Penny McCarthy, The Otolith Group, Mungo Ponton, Eva Rothschild, Ruskin Collection, Shimabuku, Kiki Smith, Suzanne Treister, Jennifer West.
Liquid Crystal è un testo che la docente ha dedotto dalla sua più recente opera pubblicata nel 2016 e intitolata Liquid Crystals. The Science and Art of a Fluid Form. Nel volume, Leslie affronta il tema dei cristalli liquidi ampliando notevolmente i riferimenti: passando dalla pittura romantica di paesaggio di Caspar David Friedrich, agli eco-disaster movie hollywoodiani. Attraverso associazioni geografico-temporali così estreme, dalla Germania dell’800 all’attuale mondo di Hollywood, l’autrice trasmette al lettore la perpetua onnipresenza dei cristalli liquidi: «Caspar David Friedrich’s The Sea of Ice returns as Hollywood blockbusters, the image not just of liquid and crystals, but in liquid crystals and liquid and crystalline in its behaviours».11E. Leslie, Liquid Crystals. The Science and Art of a Fluid Form, Reaktion Books, 2016, p. 215.

Dentro e su di te

I cristalli liquidi sono dentro di te: agiscono sulle cellule dei peli nell’orecchio interno, trasportano grassi; si trovano sulle ciglia dei polmoni e del tessuto sinusale, nelle membrane delle cellule e nel DNA. I cristalli liquidi sono nelle tue tasche, sui tuoi schermi, sugli smart glass. I cristalli liquidi sono nei tuoi vestiti, nella seta e nel Kevlar. Lustrini bicolori costituiti di polimeri a cristalli liquidi colesterici fotosensibili vengono tessuti nei materiali più recenti. I cristalli liquidi sono presenti sulle tue dita dopo aver indossato uno di quegli anelli che cambiano in base allo stato d’animo. I cristalli liquidi si trovano nella poltiglia presente sul fondo del tuo detergente per i piatti, nella bava delle lumache e nelle ali degli insetti. I cristalli liquidi si trovano nei lucidalabbra e nel gel antirughe. I cristalli liquidi sono presenti nei mantelli delle stelle di neutroni che reagiscono alla forza di marea. I cristalli liquidi si mangiano col glutine e si bevono attraverso i fosfolipidi del latte. Un virus può essere un cristallo liquido. I cristalli liquidi ci sono da tempo, e da tempo sono ovunque. Ma è stato dato loro un nome, sono stati esplorati, si è giocato con loro e li si è messi al lavoro solo negli anni che seguirono il 1888.

La prima ripresa

Friedrich Reinitzer, botanico austriaco che lavorava a Praga, ha osservato il doppio punto di fusione del benzoato di colesterile, estratto dalle piante. Questo, a un certo punto, si scioglie in un liquido torbido ma, quando il calore aumenta di altri trenta gradi, si scioglie una seconda volta, diventando di colpo più chiaro. Il fisico Otto Lehmann intraprese le ricerche nella fase torbida, poiché la torbidezza era sintomo di un certo tipo di ordine in azione, seppure sconosciuto. La torbidezza risulta dalla dispersione di luce della sostanza. La dispersione deriva dall’aggregazione di piccoli gruppi di molecole, o regioni fluttuanti di non-uniformità, che si raggruppano insieme e si disperdono nuovamente. Lehmann ha scoperto che la fase torbida ha proprietà cristalline, sebbene sia anche fluida. Diversamente da un liquido le cui molecole sono in continuo movimento e le cui proprietà sono quindi isotropiche, ossia uniformi in tutte le direzioni, i cristalli, o solidi cristallini, sono anisotropici, il che significa che possiedono proprietà diverse a seconda della direzione della misurazione. Nella sua fase torbida, il cristallo liquido è cristallino, e poiché è anisotropico le sue proprietà fisiche variano a seconda che le sue molecole allungate siano misurate parallelamente o perpendicolarmente alla loro lunghezza. Tali molecole di cristallo liquido non corrono in giro in schizzi di fluido casuali, scivolando e slittando, collidendo e urtandosi; piuttosto cercano un ordine, a seconda del tipo di cristallo liquido che costituiscono. Quelli nematici sono abbastanza semplici, il loro ordine direzionale sta a indicare che i loro assi lunghi sono paralleli l’uno all’altro, suscettibili ai campi magnetici o elettrici. Non possiedono alcun ordine posizionale. Quelli smectici organizzano le molecole allineate in strati che scorrono l’uno sull’altro, in cui ogni strato mantiene la propria forma, mentre l’insieme si presenta in disordine. Quelli colesterici sono chirali, e ruotano nei loro strati a sinistra o a destra. Alcuni reagiscono alla temperatura, altri al variare della concentrazione di solvente in una sostanza. Una volta messe in azione, le molecole si animano, mettendo in disordine la propria forma. Tutto questo movimento, questo scattare all’ordine, questo avvitarsi e svitarsi, è visibile sotto forma di pattern di colori che cambiano, attraverso filtri polarizzatori incrociati che rendono visibile la loro birifrangenza: la luce che entra nel cristallo viene rifratta in due raggi opposti che viaggiano a diversa velocità. Il raggio di luce comune e quello eccezionale interferiscono l’uno con l’altro: uno percorre un tragitto più lungo attraverso la materia ed esce fuori fase con l’altro. Il tempo spezzato fa apparire un caleidoscopio. Nastri ondulati o spruzzi di stelle di blu, verde, giallo, rosa, di tutti i colori dell’arcobaleno e di più, si diffondono rapidamente sulla piccola entità animata nella sua fase di transizione.

“Le molecole che formano cristalli liquidi (mesogene) hanno normalmente una forma quasi cilindrica allungata (detta calamitica) oppure schiacciata (discotica) che si può in prima approssimazione rappresentare schematicamente come un ellissoide prolato od oblato”. Alla voce “cristalli liquidi”, Claudio Zannoni, Enciclopedia della Scienza e della Tecnica (2007), Treccani.

La vita e nient’altro

Ciò che ora viene chiamato cristallo liquido fu visto, alla fine del diciannovesimo secolo, al microscopio e attraverso i polarizzatori, ma fu poco compreso e il suo nome non trova ancora una chiara definizione: cristalli fluidi, fluido cristallino, mesomorfi, “vermi di cristallo”. Alcuni li hanno visti – come i cristalli prima di loro – come analoghi almeno a forme di vita.

A lungo si è avuta l’idea di considerare i cristalli, attraverso la loro trasformazione di energia in strutture rigide e geometriche, come forme di vita, per quanto inferiori nella scala evolutiva. Molti filosofi e scienziati naturali hanno osservato che, come altre forme di vita, anche i cristalli crescono se nutriti. Quando si sviluppano assumono forme con sfaccettature, angoli e curve che crescono rapidamente nella loro “gioventù” e che rallentano da “adulti”. Un osservatore potrebbe constatare che queste piccole forme abbiano pianificato di raggiungere proprio quella forma particolare. Una volta distrutto, un cristallo produce versioni più piccole dell’originale. Una volta feriti, i cristalli sembrano curarsi. Alcuni la chiamano “autoattività”. ll cristallo ha un sé. Il linguaggio scientifico contemporaneo potrebbe chiamare questo processo auto-organizzazione o autoassemblaggio. Il cristallo si congiunge con altri. Copula. Si riproduce. Il cristallo è vita. E allora tanto più vivo risulta essere il cristallo liquido, che aggiunge movimento e cambiamento di colore al suo inventario di vitalità. I titoli dei libri e delle conferenze di Otto Lehmann riflettevano la propria fede nella vitalità dei cristalli liquidi: Liquid Crystals and the Theories of Life (1906-1908), Apparently Living Crystals (1907). Lehmann ha inoltre realizzato un film d’animazione intitolato Liquid Crystals and their Apparent Life (1921). Ha animato l’animato. Senza i cristalli liquidi e quelli biologici, di certo non ci sarebbe la vita. Ma alcuni, come il biologo Ernst Haeckel, consideravano i cristalli liquidi come dotati di un’anima, come una forma di transizione tra il mondo inanimato e quello animato, una forma di vita inorganica.22Ernst Haeckel, Crystal Souls, «Forma», vol. 14 (1 e 2), (Bach, 1999), pp. 1-204.

Alcuni considerano il fine dell’esistenza come “la continuazione della formazione”.33Si veda Alfred Döblin, Unser Dasein [1933] (Monaco: Deutscher Taschenbuch Verlag, 1988).
Si tratta di una procedura semplice per le forme cristalline, ma di uno sforzo complesso per l’“essere di plasma”, come l’uomo, con i suoi organi e i suoi movimenti. Alla fine, però, l’uomo e il cristallo tendono analogamente a indurirsi. Quando l’acqua ha la capacità di congelare, gli stati acquosi degli esseri di plasma causano esattamente ciò. Le forme si induriscono nel tempo, e così l’indurimento si configura come un movimento teso verso la morte, ma anche come parte del processo di formazione di nuove vite. Nella propria esistenza, il cristallo ha raggiunto tale stato molto presto, solidificandosi dal fluido. L’esistenza pietrificata è anche parte della vita, nella sua espressione minerale.

Anathema di Otolith Group, Image courtesy: Site Gallery 2018

In bella mostra

Per coloro che erano rimasti affascinati da questo stato intermedio – con un’interferenza nell’ordine convenzionale di solido, liquido e gas – vi erano ancora alcune scoperte da fare, come la rivelazione, negli anni Trenta del Novecento, che i cristalli liquidi potevano essere orientati dai campi elettrici. Tale intuizione ha consentito di trovare alcune applicazioni per queste forme e persino nuovi obiettivi nel mondo. Nel 1936 fu assegnato, in Inghilterra, il primo brevetto per i cristalli liquidi a The Marconi Company Ldt., per delle valvole luminose da usare nei nuovi media della televisione e del facsimile del telegrafo; tuttavia la guerra interruppe tale ricerca, finché George Gray, dell’Università di Hull, sintetizzò i mesogeni, ossia le molecole che formano i cristalli liquidi. Dopo che furono immaginati televisori che si appendevano al muro come quadri, negli anni Cinquanta all’RCA Corporation, negli Stati Uniti, furono avviate le ricerche su come sfruttare la capacità di risposta dei campi elettrici – la loro eccezionale reattività all’eccitazione – per realizzare tecnologie di visualizzazione in cui le immagini alla parete si muovessero mutando senza sosta.

Non è il bagliore policromatico dei cristalli liquidi a creare i colori guizzanti su uno schermo LCD. È invece una cellula LC nematica rotante ad agire come otturatore della luce, ruotando o meno il piano di polarizzazione, a seconda dell’applicazione della tensione. I primi impieghi dell’LCD rendevano tale funzione di servizio più evidente, poiché si trattava di semplici losanghe grigio scuro sullo sfolgorio grigio chiaro di uno schermo di fondo, in un orologio Green Teletime LCD del 1972.

I cristalli liquidi trovarono piena applicazione nei dispositivi di visualizzazione, ma negli anni Settanta, negli Stati Uniti, vi era ancora poco interesse a esplorare ulteriormente questo campo. La ricerca si spostò pertanto in Corea, dove si era sviluppata un’imponente industria dominata da Samsung, Sharp e LG Philips. I cristalli liquidi destinati a molti di questi schermi – TV, computer, tablet, smartphone, proiettori, telecamere – sono ancora sintetizzati laddove Otto Lehmann li aveva commissionati nel 1904: alla Merck KGaA a Darmstadt, in Germania. Merck esplora nuovi usi per la loro produzione più redditizia, mentre tecnologie rivali come OLEDS, che sfidano l’importanza dei cristalli liquidi, fanno la loro comparsa: pannelli per finestre oscuranti o antenne piatte sui tetti delle macchine che guidano elettronicamente verso i satelliti.

LCD dreams … a detail from The Hidden Life of Crystals by Waad AlBawardi. Photograph: Image courtesy of Site Gallery 2018

In vista e non

Tuttavia, i cristalli liquidi non sono solo una tecnologia che consente all’ultimo cofanetto di Netflix di crepitare su uno schermo o all’ultimo feed sui social di far brillare le sue notizie luminose. Non si tratta solo di una forma biologica che permette il movimento dei globuli di grasso o che riduce la tossicità di una droga nel corpo. Il cristallo liquido è una metafora, un esperimento mentale, una proposta. Il cristallo liquido manifesta una capacità di pensare tra gli stati. È un’immaginazione che trova una forma. È – per essere provocatori – una distillazione in forma scientifica di una serie di momenti liquidi e cristallini che si sono aggregati nel diciannovesimo secolo e che resero concepibile la contraddizione cristallina: la visione della Terra come luogo di interazione tra il liquido e il cristallino, tra un’ostruzione e un flusso, tra la stasi e il movimento, tra il commercio e gli scambi; il Crystal Palace come emblema di un centro permanente, o di una forma cristallizzata di merce, in mezzo al flusso del commercio globale e della liquidità monetaria; la forma ferma e incipiente, congelata e fluente del cinema e, più specificamente, la sua forma originaria in animazione; il guizzo d’acqua del movimento rivoluzionario sostenuto dal baluardo delle forze di reazione; la comparsa, con Hegel e Marx, della modalità di pensiero dialettico, antitetico, che applica la contraddizione alla sua concezione di cambiamento storico. Poteva volerci del tempo affinché gli schermi a cristalli liquidi venissero inventati. Ma la forma è stata scoperta e filtrata fuori da se stessa o, in alternativa, il mondo che si stava sviluppando, per via dei movimenti del capitalismo, si è infiltrato nella mente degli scienziati che hanno scoperto che ciò aveva cambiato il loro modo di pensare e aveva reso l’inconcepibile – una fase della materia compresa tra altre due, uno stato di mezzo, il non liquido, il non cristallo – possibile da immaginare. Qualcosa ha fatto sì che credessero ai loro occhi e dessero un nome a questa fase. Il liquido e il cristallo fluiscono e congelano, come l’animazione; nascono simultaneamente, come la fotografia, come un’economia in espansione quasi sfrenata in giro per il mondo, nell’imperialismo e nella globalizzazione, che interrotta in quell’espansione dall’emergere della crisi, solo allora riprende a fluire, e così via.

La Terra a cristalli liquidi

Potrebbe essere necessario che l’immaginazione, la capacità del pensiero speculativo, preceda le supposizioni scientifiche. Hegel immaginò il cristallo liquido e lo chiamò Terra. In una digressione nel corso di una conferenza sulla filosofia naturale negli anni Trenta dell’Ottocento, Hegel sostenne che la Terra non fosse un corpo celeste cristallino, come la luna – un cristallo freddo e cinereo senz’acqua, che cerca di essere assorbito dai nostri mari, così che la sua sete paralizzante possa essere saziata.44G. W. F. Hegel, Philosophy of Nature: Encyclopaedia of the Philosophical Sciences, Oxford, 2004, p. 101.
Né credeva che la Terra fosse composta interamente da acqua, come le comete, un corpo fluido, brillante e trasparente privo di nucleo. La Terra è allo stesso tempo cristallo e acqua. La Terra è un cristallo liquido. «La Terra è un cristallo che rilascia la sua acqua superflua».55Ibid., p. 296.
Concepibili in quel momento, il liquido e il cristallo appaiono quindi in tensione, in contraddizione, l’uno necessario all’altro, in contrasto, in collaborazione.

The center of the Milky Way galaxy imaged by NASA’s Spitzer Space Telescope is displayed on a quarter-of-a-billion-pixel, high-definition 23-foot-wide (7-meter) LCD science visualization screen at NASA’s Ames Research Center in Moffett Field, Calif. Image Credit: NASA/Ames/JPL-Caltech

Le città a cristalli liquidi

Nel marzo 2018 i media si sono espressi sugli aspetti liquidi e cristallini del design urbano e sul suo effetto “isola di calore”.66J. M. Sobstyl, T. Emig, M. J. Abdolhosseini Qomi, F. J. Ulm e R. J. M. Pellenq, Role of City Texture in Urban Heat Islands at Night Time, marzo 2018, «Physical Review Letters», 120, 10.
Le città con pianta a scacchiera come New York o Chicago, il cui design su scala nanometrica ricorda gli atomi del cristallo, di notte sono più calde rispetto alle città organizzate in modo caotico, come Londra o Boston, che somigliano agli atomi disordinati dei liquidi o del vetro. Gli agglomerati di cristallo assorbono il calore durante il giorno e lo rilasciano di notte. Nelle città disordinate il calore si rifugia sempre nella vegetazione. Gli scienziati si sono avvicinati alle città che studiano attraverso uno strumento appositamente sviluppato per analizzare la struttura atomica dei materiali. Ciascun edificio è diventato un atomo. E uno scienziato ha dichiarato: «Abbiamo iniziato a riflettere se la complessa struttura reticolare di edifici e strade, nota come città, non assomigli a una superficie nanometrica di un materiale grezzo».77https://www.popsci.com/city-shape-grid-heat-island-temperature#page-5

Display a cristalli liquidi

Su questa terra di cristalli liquidi, in queste città di cristalli liquidi, le agitazioni di cristalli liquidi sugli schermi sono oggetto dei nostri sguardi più spesso che gli occhi dei nostri amati. Una volta trovato l’impiego dei cristalli liquidi negli schermi, non vi è più alcun autocontrollo, tranne quando ci prepariamo e ce lo imponiamo o, in alternativa, quando la tecnologia fallisce. Lo schermo è un cristallo liquido e contrae tutta la Storia, tutte le interazioni sociali, tutti i dati e tutta la fantasia, per attraversarlo nuotando, da sotto, luccicando su di esso. Il mondo intero è stato rimodellato, aumentato, attraverso i cristalli liquidi, anche tridimensionalmente. Le città sono luminose. Accediamo a esse virtualmente. Tuttavia, allo stesso tempo, questi cristalli liquidi ci portano in noi stessi. Siamo quello che siamo grazie a loro – nel nostro DNA, nei polipeptidi, nei nostri tessuti epiteliali, che delineano le cavità e le superfici degli organi attraverso il corpo. I cristalli liquidi ci portano in noi stessi, nei nostri meccanismi interni, e ci portano in un’altra direzione rispetto a quella che gli studi molecolari della scienza hanno seguito. Questi ultimi si sono fermati alla suddivisione tripartita del mondo che vede atomi e particelle subatomiche interagire secondo le leggi della fisica per costituire molecole, i coacervati – una forma elementare di protocellule con un metabolismo, o altre aggregazioni. Tali forme sono spesso attribuite a uno degli stati della materia: solido, liquido, aeriforme. In mezzo, esiste il cristallo liquido, non solo come coagulazione di liquido e cristallo, ma anche come intermezzo tra la vita e la morte. La fase del cristallo liquido è una mesofase nelle transizioni delle fasi ottiche e termiche, una forma intermedia della materia che può costituire strutture e macromolecole complesse, autoreplicantisi e ordinate. Si autoassembla, si compatta, mostra difetti, possiede funzionalità e una processabilità. È stata avanzata l’ipotesi che, sulla Terra di era prebiotica, la materia in possesso delle proprietà dei cristalli liquidi costituisca un antecedente nell’evoluzione dalla materia inanimata a quella vivente, e che nella sua forma liotropica conservi successivamente i processi di vita, mentre nella sua forma termotropica tenga la vita prigioniera dello schermo.

Introduzione di Carolina Gestri e Francesca Vason

Traduzione di Marta Somazzi