Qual è la differenza tra quarzo e cristalli liquidi?

Quando guardi l' orologio , probabilmente non stai pensando a quanto siano diversi il quarzo e il cristallo liquido l'uno dall'altro. E probabilmente non dovresti: quando avrai finito di spuntare i loro contrasti, potresti essere in ritardo al tuo prossimo appuntamento. Ma mentre il quarzo e il cristallo liquido non sono nemmeno nello stesso stato della materia, hanno un'importante caratteristica in comune: l'orologio o l'orologio digitale medio non funzionerà correttamente senza di essi.

Prima di confrontare le loro funzioni all'interno di un orologio, diamo un'occhiata ad alcune delle proprietà di ciascuna sostanza. Il quarzo è uno dei minerali più abbondanti che si trovano sulla superficie della terra. Conosciuto con il nome chimico di biossido di silicio , il quarzo è un solido cristallino usato come componente in gioielleria e carta vetrata. I cristalli di quarzo sono anche un componente comune in dispositivi come telefoni cellulari, ricevitori televisivi e, naturalmente, orologi. Uno dei motivi principali per cui il quarzo viene utilizzato in così tanti dispositivi elettronici è perché è piezoelettrico, il che significa che genera una carica elettrica quando viene esercitata una pressione su di esso. Il quarzo dimostra anche un effetto piezoelettrico inverso: quando viene applicata una carica elettrica a un cristallo di quarzo, inizia a vibrare. Come vedremo, questi attributi diventano molto importanti quando si tratta di tenere il tempo.

I cristalli liquidi , invece, non sono una sostanza singolare. Scoperti per la prima volta nel 19° secolo dagli scienziati che cercano di determinare il peso molecolare del colesterolo, i cristalli liquidi sono in realtà una classificazione di composti che comprendono un quarto stato della materia: le molecole a forma di bastoncino o lastra nei cristalli liquidi tendono a fluire come liquidi, ma mantieni l'allineamento e l'ordine visti nei solidi [fonte: Nobelprize.org] . Probabilmente avrai notato che gli LCD, noti anche come display a cristalli liquidi, sono comuni nei computer, nei televisori e in una miriade di altre tecnologie. Questo perché le molecole di cristalli liquidi hanno proprietà ottiche che possono influenzare la luce quando le attraversa. Il primo orologio con display a cristalli liquidi apparve nel 1973 [fonte:Il New York Times] .

Ora che conosciamo le diverse proprietà del quarzo e dei cristalli liquidi, diamo un'occhiata a come ciascuno di essi funziona all'interno di un orologio.

Esaminiamo i componenti di base di cui un orologio o un orologio ha bisogno per funzionare correttamente:

Ricorda che stiamo parlando in particolare di orologi e orologi digitali al quarzo . Questi sono diversi dagli orologi meccanici che devono essere caricati regolarmente e di solito non incorporano il quarzo, e sono diversi dagli orologi analogici e dagli orologi che utilizzano ingranaggi per guidare le lancette lungo un quadrante, che in genere non incorporano cristalli liquidi.

Il quarzo funge da meccanismo di cronometraggio. Introdotti per la prima volta negli orologi da Seiko nel 1969, i cristalli di quarzo sono diventati lo standard per i produttori di orologi moderni nei decenni successivi [fonte: Seiko] . Il quarzo utilizzato negli orologi vibra ad una frequenza molto elevata. Ciò si traduce in una grande precisione: l'ora visualizzata su un orologio al quarzo potrebbe discostarsi dall'ora reale di pochi secondi in un determinato mese [fonte: Lombardi] . Inoltre, poiché il quarzo è piezoelettrico, richiede pochissima energia per vibrare, consentendo a una singola batteria alcalina di alimentare un orologio al quarzo per anni e anni.

Il quarzo funziona in tandem con il circuito integrato dell'orologio. In breve, la batteria invia una piccola carica elettrica al circuito integrato, che è collegato a un oscillatore al quarzo con una coppia di minuscoli elettrodi. Il circuito passa l'elettricità attraverso l'oscillatore al quarzo e inizia a vibrare. Gli oscillatori al quarzo utilizzati negli orologi sono stati standardizzati per vibrare 32.768 volte al secondo, o ad una frequenza di 32.768 kilohertz. Il circuito integrato è programmato per contare le vibrazioni dell'oscillatore e misurare gli intervalli -- secondi, minuti, ore e così via. Ad ogni intervallo, il circuito trasmette un impulso elettrico.

E dove va questo battito? Il display a cristalli liquidi. In che modo i cristalli liquidi visualizzano i numeri su un quadrante di un orologio digitale? Continuate a leggere per scoprirlo.

Deviazione standard

Mentre l'industria dell'orologeria standardizza gli oscillatori al quarzo per vibrare 32.768 volte al secondo, la realtà è che l'oscillatore vibra un po' di più o un po' meno, a seconda della temperatura e della pressione nell'ambiente. Sebbene l'orologio sia ancora abbastanza preciso per l'uso quotidiano, più o meno vibrazioni possono tradursi in deviazioni dal tempo reale di diversi secondi ogni mese [fonte: Woodford].

Mentre il quarzo misura il passare del tempo in micromomenti impercettibili per l'uomo, i cristalli liquidi aiutano a rappresentare il passare del tempo sul display in modi che possiamo facilmente comprendere.

Abbiamo accennato in precedenza che i cristalli liquidi hanno proprietà ottiche che li rendono un componente preferito degli schermi LCD . Le sostanze a cristalli liquidi sono classificate in uno spettro tra solido e liquido, a seconda delle loro caratteristiche individuali. Il tipo più comune di display utilizzato per gli schermi LCD su un orologio digitale è chiamato display nematico attorcigliato (TN) . Le molecole che compongono il cristallo liquido in questo display sono disposte a forma di spirale contorta. Ma le sostanze chimiche possono essere districate applicando una forza esterna, come un impulso elettrico, che influenzerà la luce che le attraversa.

Un display LCD su un orologio inserisce essenzialmente sostanze chimiche a cristalli liquidi tra due lastre di vetro elettricamente conduttive, con filtri di polarizzazione attaccati a ciascuna lastra e orientati di 90 gradi l'uno rispetto all'altro. Le molecole di cristalli liquidi corrono naturalmente parallele al filtro di polarizzazione, consentendo all'illuminazione della luce ambientale di riflettersi su uno specchio posizionato sotto il polarizzatore: questo è ciò che conferisce all'LCD il suo aspetto argentato. Tuttavia, l'applicazione di una carica elettrica ai cristalli liquidi cambia l'orientamento delle loro molecole per correre perpendicolarmente al filtro di polarizzazione e il filtro assorbe tutta la luce, lasciando le celle nere sul display.

Quando il circuito integrato rilascia quegli impulsi elettrici dopo ogni secondo, minuto, ora e altri intervalli misurati dall'oscillatore al quarzo, comunica con l'LCD per accendere e spegnere parti dell'LCD. Il display LCD è diviso in una serie di sezioni di sette o 14 segmenti e ciascuna sezione di sette segmenti trasmette un numero da zero a nove. La combinazione di sezioni può rivelare il passare del tempo dalle 12:15 alle 12:16, ad esempio, o dalle 1:00 alle 2:00. (In virtù del fatto di avere più celle, le sezioni a 14 segmenti possono rivelare lettere e numeri.)

Come puoi vedere, il quarzo e i cristalli liquidi sono sostanze molto diverse che servono a scopi molto diversi quando si tratta di tenere il tempo. Ma senza che entrambi lavorassero insieme, probabilmente saremmo in ritardo.

La sorpresa più grande durante la mia ricerca per questa storia è stata il paradosso: i cristalli liquidi e il quarzo non hanno quasi nulla in comune, ma all'interno di un orologio da polso, dipendono l'uno dall'altro. Immagino di non averlo mai considerato, perché non indosso un orologio da anni (finché avrò il mio iPhone, probabilmente non lo farò mai più). Ma colpisce ora sapere che, ogni volta che incontro qualcuno che indossa un orologio al quarzo, il tempo è dettato da migliaia di micro vibrazioni al secondo; che riconosciamo lo spostamento in avanti perché la luce passa attraverso i filtri; e che tutto questo sta accadendo completamente fuori dalla vista, eppure così vicino a noi in un semplice pezzo di tecnologia che diamo per scontato. Mi chiedo cosa ci sia dentro l'apriporta del mio garage.

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Fonti