Cristaux liquides: vers une compréhension plus profonde de la matière

Quels sont les états d'agrégation de la matière? Si cette question est posée à un élève du secondaire, la réponse serait probablement un état solide, un état liquide et un état gazeux. Un adolescent rapide peut savoir ce que sont les plasmas. En fait, si la température d'une substance augmente, il est possible de retirer des électrons à leurs atomes et de les amener à une nouvelle phase. Cette nouvelle situation est appelée plasma et utilisée dans la vie quotidienne comme tubes fluorescents. Cependant, il y a une autre situation particulière, qui sera certainement tout à fait inconnue pour le lecteur, même s'il est présent sur certains appareils quotidiens: le cristal liquide.

Dans le cas le plus simple sont des substances constituées de molécules en forme de tige. Bien que ces composés soient fluides, les interactions moléculaires produisent une orientation parallèle entre elles. En raison de cet ordre supplémentaire qui n'a pas les liquides ordinaires, ils ont reçu le nom de cristaux liquides [1]. Mais à quoi servent les cristaux liquides ? Pour faire des écrans plats, par exemple. En fait, les molécules de ces matériaux sont généralement polaires et, grâce à leur fluidité, peuvent être facilement orientées par des champs électriques. Ainsi, s'ils sont placés entre deux polariseurs de lumière, ils peuvent faire passer ou bloquer la lumière.

Outre les complexités technologiques, les écrans LCD (Liquid Crystal Display) fonctionnent essentiellement de cette façon. Bien que la technologie OLED à diodes organiques ait considérablement augmenté ces dernières années, l'industrie LCD continue d'avoir un poids important. De même, en raison de l’utilité des cristaux liquides dans la photonique [2], il reste un champ de recherche vivant.

Figure 2. Certaines structures qui peuvent montrer des cristaux liquides composés de molécules sous forme de tige. Aux extrémités se trouvent les états cristallins et liquides, les phases d'ordre supérieur et inférieur, respectivement. Ed. Aitor Erkoreka et Josu Martínez-Perdiguero.

Depuis la découverte du premier cristal liquide au XIXe siècle, les composés qui ont été synthétisés au fil des ans ont observé différentes sous-phases qui sont classées selon la structure adoptée par les molécules. Les cristaux liquides du nématode visés au point N ci-dessus n'ont qu'un ordre d'orientation. Les cristaux liquides smétiques (Sm) ont également un ordre de position. En fait, en plus d'orienter les molécules dans une direction déterminée, elles ont tendance à se situer dans des plans parallèles les unes aux autres, tout en conservant toujours une certaine fluidité. Au début du XXe siècle, les célèbres physiciens Debye et Born lui ont proposé l’existence d’une nouvelle phase [3, 4] : le cristal liquide nématique ferroélectrique (NF). Bien que les molécules des matériaux nématologiques courants soient polaires, toute la structure est apollaire. Autrement dit, tous les dipôles électriques (séparation des charges positives et négatives) ne doivent pas être orientés dans la même direction, car les interactions moléculaires ne séparent pas les extrémités des molécules [5]. La phase nématique ferroélectrique serait polaire, c'est-à-dire que tous les dipôles seraient orientés dans une direction cassée. Après cette prévision théorique, des décennies et des décennies se sont écoulées, mais aucun matériau des sacs n'a été trouvé. Les seuls cristaux liquides ferro-électriques qui ont été synthétisés étaient stériles, car l'ordre de position des moles facilitait l'apparition de ferroélectricité. L’aridité (peu d’ordre de position) et le ferroélectricité sont exclus les uns des autres [6]. En fait, l'agitation thermique serait en mesure d'éliminer même le moindre tri des dipolos à longue portée qui pourrait survenir dans le matériau. Selon cette affirmation, il n'était donc pas étonnant qu'aucun matériau de ce type ne soit trouvé.

Figure 3. Différence entre les phases _N et NF. Dans la première, il n'y a pas d'ordre polaire, car les dipôles électriques ont un sens aléatoire. Dans le second, cependant, les interactions moléculaires font que tous les dipôles sont orientés dans une direction déterminée. Ed. Aitor Erkoreka et Josu Martínez-Perdiguero.

En 2017, cependant, plusieurs chimistes ont synthétisé certains composés curieux [7, 8]. Les fraises de ces matériaux étaient très polaires et, à la baisse de la température, elles ont observé une transition de phase nématico-nématique. Toutefois, la nature de la phase nématique à basse température était différente. Un groupe de recherche a étudié la structure de l’un de ces cristaux liquides, connu sous le nom de RM734 [9]. Les chercheurs ont proposé que le RM734 comporte une phase nématique localement polaire. Il y aurait des domaines polaires avec des sens rotatifs où les moles adopteraient une structure d'expansion (splay structure en anglais), 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 étude 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 proposer le ferroélectricité de ce matériau en 2020 [10]. Selon les Américains, ce cristal liquide montre la phase NF prédictée _par Born avec des domaines polaires macrochroscopiques. Ces résultats ont été confirmés par des groupes du monde entier et des molécules répondant à des caractéristiques similaires ont été trouvées. Nous pouvons donc dire qu'un nouvel état de la matière a été trouvé.

Le défi que nous avons maintenant aux scientifiques est de comprendre cette nouvelle phase. Quelles sont les caractéristiques de la phase _NF? Quels sont les mécanismes moléculaires qui permettent le couplage des dipolos? En tant que chercheurs du département de physique de l’Union basque, nous essayons de répondre à ces questions. Pour cela, nous utilisons des méthodes électriques. Concrètement, nous mesurons la perte dite diélectrique, tant en fonction de la fréquence d'excitation électrique que de la température. Cette dimension physique, en quelque sorte, quantifie l'influence d'un champ électrique externe sur une certaine «murale». Bien que cette variable soit macros­copique, une analyse adéquate des données permet d'examiner les processus physiques de ces matériaux. Dans la _phase NF, en particulier, les valeurs gigantesques de permitivité diaphane [11], dont l’origine est inconnue, ont été mesurées. En abordant ce genre de questions, nous comprendrons mieux le caractère de cette phase mixte. En outre, l'intérêt de ces matériaux n'est pas seulement scientifique, mais aussi technologique. En fait, les NF peuvent être utiles pour rendre les écrans plus efficaces, les nouveaux appareils électro-optiques, etc. En définitive, il faut tenir compte du fait que la principale caractéristique de ces composés est leur puissance, c'est-à-dire qu'ils sont très sensibles aux champs électriques extérieurs. Il ne serait donc pas étonnant que dans quelques années, nous ayons tous un matériau NF sur nos téléphones mobiles.

Bibliographie

Les remerciements d'Aitor
Erkoreka au Département de l'éducation du gouvernement basque pour la subvention reçue par le biais du Programme prédoctoral de formation du personnel de recherche non docteur.