Cristaux liquides: vers une compréhension plus profonde de la matière
Dans la nature, il y a certaines substances qui ont des caractéristiques entre les solides et les liquides - les cristaux liquides. Non seulement ils sont très intéressants d'un point de vue scientifique, mais ils sont également la pierre angulaire de la technologie actuelle. Récemment, un nouveau type de cristaux liquides a été découvert qui a brisé les schémas des scientifiques. C'est une question de longue date et l'aventure de comprendre sa physique continue.
Quels sont les états d’agrégation de la matière ? Si vous posez cette question à un élève du secondaire, la réponse serait probablement la suivante: état solide, état liquide et état gazeux. Peut-être qu'un jeune homme intelligent sait aussi ce que sont les plasmas. En fait, si la température d'une substance augmente, il est possible d'enlever des électrons à ses atomes et de les amener à une nouvelle phase. Cette nouvelle situation s'appelle le plasma et nous l'utilisons dans la vie quotidienne, comme les tubes fluorescents. Cependant, il existe une autre situation particulière que le lecteur sera probablement totalement ignoré, bien qu'il soit présent dans certains appareils quotidiens: le verre liquide.
Dans le cas le plus simple, il s'agit de substances composées de molécules sous la forme de tiges. Bien que ces composés soient fluides, les interactions entre les molécules les orientent parallèlement les uns aux autres. En raison de cet ordre supplémentaire que les liquides ordinaires ne contiennent pas, ils ont reçu le nom de cristaux liquides [1]. Mais à quoi servent les cristaux liquides ? Pour les écrans plats, par exemple. En fait, les molécules de materialon sont généralement polaires et, soutenues par leur fluidité, elles peuvent être facilement orientées à travers les champs électriques. Ainsi, en les plaçant entre deux polariseurs de lumière, ils peuvent faire passer ou bloquer la lumière.
Indépendamment des complexités technologiques, c’est essentiellement ainsi que fonctionnent les écrans LCD (Liquid Crystal Display en anglais). Bien que la technologie OLED à base de diodes organiques se soit largement répandue ces dernières années, l'industrie LCD continue de jouer un rôle important. De plus, en raison de l'utilité potentielle des cristaux liquides dans la photonique [2], il reste un domaine de recherche intense.
Depuis la découverte du premier cristal liquide au XIXe siècle, plusieurs sous-phases ont été observées dans des composés qui ont été synthétisés au fil des ans et qui sont classés selon la structure qu'adoptent les molécules. Les cristaux liquides nématiques mentionnés ci-dessus (indiqués par la lettre N) n’ont qu’un ordre d’orientation. Par contre, les cristaux liquides smektiques (Sm) ont également un ordre de position. En effet, non seulement les molécules sont orientées dans une direction donnée, mais elles ont également tendance à se positionner sur des plans parallèles les uns aux autres, tout en conservant une certaine fluidité. Au début du XXe siècle, les célèbres physiciens Debye et Born vous proposent l'existence d'une nouvelle phase [3, 4]: le cristal liquide némétique ferroélectrique (NF). Bien que les molécules des matériaux nématiques communs soient polaires, la structure entière est apolaire. C’est-à-dire que tous les dipôles électriques (séparation des charges positives et négatives) ne doivent pas nécessairement être orientés dans le même sens, car les interactions moléculaires ne séparent pas les extrémités des molécules [5]. La phase nématico-ferroélectrique, quant à elle, serait polaire, c'est-à-dire que tous les dipôles seraient orientés dans une direction particulière. Après cette prédiction théorique, des décennies et des décennies se sont écoulées, mais aucun matériau n'a été trouvé pour montrer cette phase. Les seuls cristaux liquides ferro-électriques qui ont été synthétisés étaient des cristaux mécatroniques, car l'ordre de position des molécules facilitait l'apparition de la ferro-électricité. L'exploration stérile a conduit les scientifiques à conclure que la fluidité (faible ordre de position) et le ferroélectricité sont mutuellement exclusifs [6]. En fait, l'agitation thermique serait capable d'éliminer le plus petit ordre de dipôles à longue portée qui pourrait se former dans le matériau. Sur la base de cette affirmation, il n'était donc pas surprenant que de tels matériaux n'aient pas été découverts.
mais en 2017, certains chimistes ont synthétisé des composés étranges [7, 8]. Les molécules de ces matériaux étaient très polaires et ont observé une transition de phase nématico-nématique à la baisse de la température. En tout état de cause, la nature de la phase nématique à basse température était négligeable. Une équipe de recherche a étudié la structure de l'un de ces cristaux liquides (appelé RM734) [9]. Les chercheurs ont proposé que le RM734 comporte une phase nématique locale polaire. Il s'agirait de domaines polaires tournants dans lesquels les molécules adopteraient une structure d'oscillation (splay structure), c'est-à-dire que les molécules se propageraient radialement d'une origine. Bien qu'il ait été constaté par la suite que cette structure correspondait à une autre phase intermédiaire entre les phases N et NF, cette enquête préliminaire a été importante. En tout état de cause, les scientifiques du Centre de recherche sur les matériaux souples de l'Université du Colorado ont été les premiers à produire du ferroélectricité à partir de ce matériau en 2020 [10]. Selon les Américains, ce cristal liquide montre la phase NF prédite par Born, qui a des domaines polaires macroscopiques. Ces résultats ont été confirmés par de nombreux groupes dans le monde entier et plusieurs molécules ont été trouvées remplissant des critères similaires. Nous pouvons donc dire qu'un nouvel état de la matière a été découvert.
Le défi que les scientifiques doivent maintenant relever est de comprendre cette nouvelle phase. Quelles sont les caractéristiques de la phase NF? Quels sont les mécanismes moléculaires qui permettent l'appariement des dipôles? En tant que chercheurs du département de physique de l'Union européenne, nous essayons de répondre à ces questions. Pour ce faire, nous utilisons des méthodes électriques. En particulier, nous mesurons ce qu'on appelle la permittivité diélectrique, tant dans la fonction de fréquence de l'excitation électrique que dans la fonction de la température. Cette grandeur physique quantifie, en quelque sorte, l'impact d'un champ électrique extérieur sur un secteur particulier. Bien que cette variable soit macroscopique, l'analyse correcte des données permet d'étudier les processus moléculaires du materialon. Au cours de la phase NF, on a mesuré concrètement des valeurs gigantesques de permitivité dieltique [11], dont l'origine est cependant inconnue. En abordant ces questions, nous comprendrons mieux la nature de cette phase missionnaire. En outre, l'intérêt de ces matériaux n'est pas seulement scientifique, mais aussi technologique. En effet, les NF mathématiques pourraient être utiles pour rendre les écrans plus efficaces, les nouveaux dispositifs électro-optiques, etc. En fin de compte, il faut prendre en considération le fait que ces composés se caractérisent par leur polyvalence, c'est-à-dire qu'ils sont très sensibles aux champs électriques extérieurs. Par conséquent, il ne serait pas surprenant que, dans quelques années, nous ayons tous un matériau NF sur nos téléphones mobiles.
Bibliographie
Remerciements
Aitor Erkebala tient à remercier le ministère de l'Education du Gouvernement basque pour la subvention reçue dans le cadre du programme pré-doctoral de formation des chercheurs non docteurs.
Buletina
Bidali zure helbide elektronikoa eta jaso asteroko buletina zure sarrera-ontzian