Cristaux liquides

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Transition smectique-nématique

Un cristal liquide est un état de la matière qui combine des propriétés d'un liquide conventionnel et celles d'un solide cristallisé^[1],[2]. On exprime son état par le terme de mésophase.

Historique

L'idée d'états intermédiaires autres que le solide cristallin ou le liquide isotrope a germé au cours du XIX^e siècle, on ne connaissait alors que les trois états de la matière (solide, liquide, gaz). Les premières observations furent réalisées par des biologistes et des botanistes à l'aide de microscopes polarisants, les substances biologiques extraites des tissus (animaux ou végétaux) présentant une biréfringence dans certaines conditions (myéline en 1857 par Mettenheimer). L'étude du cholestérol par Reinitzer en 1888 marque le début de l'étude des mésophases : observation de l'opacité optique et de couleurs iridescentes lorsque la température des esters de cholestérol varie, de la phase cristalline jusqu'à la phase liquide isotrope.

La découverte - Otto Lehmann

Otto Lehmann (13 juin 1855 Constance, Allemagne – 17 juin 1922 Karlsruhe) est considéré comme le premier physicien ayant étudié les cristaux liquides. Entre 1872 et 1877, il étudie les sciences naturelles à l'université de Strasbourg et prépare son doctorat sous la direction de Paul Groth. D'abord professeur de sciences (physique, mathématiques et chimie) à Mulhouse, il commence à enseigner à l'université d'Aix-la Chapelle en 1883. Lehmann est alors reconnu pour ses travaux sur les phénomènes de croissance cristalline et du polymorphisme cristallin (modification de la structure cristalline sous l'effet de la variation d'un paramètre, le plus souvent la température) et sur la microscopie expérimentale. En 1888, ses échanges avec le botaniste Reinitzer le conduisent à étudier les cristaux liquides. En 1889, il succède à Heinrich Hertz à la tête de l'Institut de Physique de Karlsruhe. À partir de 1912, Lehmann est un prétendant au prix Nobel, mais ne l'obtient pas.

En 1888, le botaniste autrichien Friedrich Richard Reinitzer (25 février 1857 Prague – 16 février 1927 Graz), travaille à l'université de Prague sur le benzoate de cholestérol (extrait de carottes). Il veut en déterminer la formule et le poids moléculaire. En utilisant le point de fusion comme un indicateur important de la pureté de la substance, il observe l'existence de deux points de fusion et l'évolution de la substance en un liquide trouble puis coloré et enfin transparent. Il pense d'abord à la présence d'impuretés, mais la purification de la substance ne change rien au phénomène observé. Il découvre ainsi un comportement étrange (existence de deux points de fusion, réflexion de la lumière polarisée circulairement et capacité à faire tourner le plan de polarisation de la lumière) dont il fait part à Lehmann. Extrait de la lettre de Reinitzer à Lehmann (14 mars 1888, 16 pages, jointe avec deux échantillons) :

« Les deux substances (les esters de cholestérol) sont le lieu de phénomènes si beaux et si étranges qu'ils devraient, je l'espère, vous intéresser aussi au plus haut point. (…) La substance possède deux points de fusion, si l'on peut s'exprimer ainsi. Vers 145,5 °C elle fond et forme un liquide trouble mais complètement fluide, lequel vers 178,5 °C devient soudainement complètement transparent. En le refroidissant, on voit apparaître les couleurs bleue et violette qui s'estompent rapidement en laissant la substance opaque (comme le lait) mais toujours fluide. En poursuivant le refroidissement, on voit réapparaître les colorations bleue et violette et, immédiatement après, la substance se solidifie en formant une masse cristalline blanche. (…) Le trouble qui apparaît en chauffant est dû non aux cristaux mais au liquide qui forme les stries huileuses. »

Lehmann réalise qu'il s'agit là d'un nouveau phénomène. Sa position et ses connaissances lui permettent alors de se lancer dans l'étude de ce problème. Il entame une étude systématique du benzoate de cholestérol et de composés apparentés possédant le phénomène de double point de fusion. Avec son microscope, il est non seulement en mesure d'effectuer des observations en lumière polarisée, mais aussi d'effectuer des observations à haute température. C'est un avantage déterminant.

De Lehmann à Reinitzer le 20 août 1889 :

« Mes nouveaux résultats confirment ce que vous aviez déjà vu, que le « Griess » (« semoule », la substance provoquant la turbidité) est un cristal très mou, qui doit être considéré comme une modification physique de la substance. C'est absolument homogène, et un autre liquide – comme vous l'aviez supposé, n'est pas présent. (…) Il est d'un grand intérêt pour les physiciens que des cristaux existent, avec une telle mollesse qu'on pourrait les appeler liquides. »

L'article de Lehmann intitulé « Uber Fliessende Krystalle » paru le 30 août 1889 à Zeitschrift fur Physikalische Chemie est la première publication introduisant le concept de « cristal liquide »^[3]. Pour Lehmann, le fait le plus surprenant est que la substance est biréfringente tout en étant fluide, pour lui cette propriété en fait donc un cristal. La publication de cet article permet alors à Gatterman, à Heidelberg, l'observation d'un comportement similaire dans d'autres substances, comme le PAA (para-azoxy-anisole). Pour marquer le fait d'une viscosité bien plus faible que pour les esters de cholestérols, Lehmann introduit alors l'appellation « Kristalline Flüssigkeiten », fluides cristallins en 1890 et publie « La structure des fluides cristallins » le 24 mars 1890.

La découverte suscita énormément d'intérêt à l'époque, mais le faible potentiel pratique fit vite retomber l'attention qu'on y portait. Cette découverte fut aussi contestée par certains scientifiques qui pensaient que l'état nouvellement découvert était probablement un mélange d'éléments solides et liquides^[4]. Mais entre 1910 et 1930, les expériences concluantes, la découverte de nouveaux types de cristaux liquides, et les premières théories soutiennent le concept de cristaux liquides.

L'approche structurale - Georges Friedel

Dans les années qui ont suivi les travaux précurseurs de Lehmann, le volume des observations similaires a augmenté considérablement. Il devenait urgent de comprendre la véritable structure moléculaire des « cristaux liquides » ou des « liquides cristallins ». De vives polémiques ont opposé les partisans de phases homogènes à ceux pensant que le trouble était dû à la démixtion de substances chimiquement impures ou bien à une fusion incomplète de la phase cristalline. Fils du chimiste Charles Friedel, Georges Friedel (19 juillet 1865 Mulhouse – 11 décembre 1933 Strasbourg) est un minéralogiste et cristallographe français. Après Mallard, son maître, il adopta la théorie de Auguste Bravais et démontra la réalité physique de la loi qui porte son nom. Il a rassemblé ces travaux dans Les Groupements cristallins (1904) et dans ses Études sur la loi de Bravais (1907). En 1909, Georges Friedel assiste à une conférence de Lehmann à Paris. Entre 1909 et 1911, Friedel et Grandjean observent les liquides anisotropes de Lehmann (un certain nombre de substances organiques telles que le para-azoxyanisol et le para-azoxyphénétol) qui étaient alors très généralement désignés sous le nom de « cristaux liquides » et dont les propriétés avait été abondamment décrites. Cependant, on doit à Friedel la mise en évidence de propriétés physiques spéciales et très curieuses (optiques notamment), qui différencient les formes intermédiaires de la forme cristalline et de la forme amorphe. Georges Friedel a été le premier à comprendre l'existence de ces nouveaux états de la matière, séparés des états liquide et solide cristallin par des transitions de phases. Ce fut en 1921, avec L. Royer, que Friedel reprend ses travaux sur les liquides anisotropes. Il décrit sa découverte dans sa publication intitulée « États mésomorphes de la matière », aux Annales de physique en 1922. Il y conclut à la modification structurelle et aux symétries différentes du matériau entre les différentes phases.

Pour lui, la notion fondamentale est celle du caractère discontinu des transformations, dans lesquelles une substance passe d'une structure moléculaire à une autre. Ces formes sont dites mésomorphes.

« Ce qui caractérise les corps de Lehmann, ce n'est pas leur état plus ou moins fluide. Ce sont leurs structures, extrêmement particulières, d'un petit nombre, toujours les mêmes. Tout ce qui va suivre mettra en évidence, je l'espère, que les corps signalés par Lehmann constituent deux formes entièrement nouvelles de la matière, séparées sans aucune exception de la forme cristalline et de la forme amorphe (liquide isotrope) par des discontinuités, de même que la forme cristalline et la forme amorphe sont séparées entre elles, sans exception, par une discontinuité »^[5].

L'ordre moléculaire diffère d'une phase à l'autre pour un même corps, l'observation met en évidence les défauts de la structure. Dans les nématiques, ils apparaissent comme des fils qui nagent dans le cristal liquide. Les molécules sont orientées en moyenne parallèlement à une direction, sans qu'il y ait répartition en couches. Dans les smectiques, ils prennent une étonnante géométrie de domaines focaux. Les molécules sont réparties en couches parallèles ; leur axe optique est normal au plan, et elles sont tournées d'un angle quelconque autour de cet axe. Si les cholestériques montrent des propriétés proches de celles des smectiques (coniques focales, couleurs chatoyantes), il les rapproche des nématiques tout en les distinguant. Dans les nématiques et les cholestériques, l'absence de diffraction aux rayons X montre que la distribution spatiale des molécules est quelconque. Mais ses expériences lui permettent d'interpréter les propriétés optiques des cholestériques comme étant dues à la dissymétrie des molécules sur leur axe (chiralité), ceci générant des défauts de torsion dans la substance^[6]. Toutes ces interprétations remarquables sont nées de l'observation au microscope polarisant.

En référence aux défauts observés dans les fluides cristallins, il nomme cette phase « nématique » (du grec νῆμα, nêma, « fil »). Les cristaux liquides étant structurellement semblables aux formes que prend le savon en solution, cette phase est nommé « smectique » (du grec σμῆγμα, smêgma, « savon »).

« J'appellerai smectiques les formes, corps, phases, etc. du premier type (une partie des Fliessende Kr., Schleimig flüssige Kr. de Lehmann : liquides à coniques), parce que les savons, dans les conditions ordinaires de température, sont de ce groupe, et que les oléates de potassium, en particulier, ont été les premiers corps de ce genre signalés. J'appellerai nématiques les formes, phases, etc. du second type (Flüssige Kr., Tropfbar flüssige Kr. de Lehmann : liquides à fils) à cause de discontinuités linéaires, contournées comme des fils, qui sont leurs caractères saillants »^[5].

La même espèce chimique peut présenter, dans des domaines de température différents, des phases cristalline solide, smectique, nématique et liquide isotrope. Georges Friedel refusait le terme « cristaux liquides », il préférait « stases mésomorphes » ; mais le terme original est resté.

« Je désignerais sous ce nom (les états mésomorphes de la matière) les états particuliers que présentent les corps signalés par Lehmann à partir de 1889 sous le nom de cristaux liquides ou fluides cristallins. Sur la foi de ces dénominations, très malheureuses mais sans cesse répétées depuis trente ans, beaucoup de gens s'imaginent que les corps si curieux sur lesquels Lehmann a eu le grand mérite d'attirer l'attention, mais qu'il a eu tort de mal nommer, ne sont autre chose que des substances cristallisées, différant simplement de celle qui étaient antérieurement connues par leur degré plus ou moins grand de la fluidité. En fait, il s'agit de tout autre chose d'infiniment plus intéressant que ne seraient de simples cristaux plus ou moins fluides »^[5].

Les travaux de Friedel et de ses collaborateurs ont permis de classifier le domaine des stases mésomorphes, et de les caractériser par leur structure.

Analogies magnétiques - Pierre Gilles de Gennes

Pierre-Gilles de Gennes (24 octobre 1932 Paris – 18 mai 2007 Orsay) est un physicien français. En 1968, au moment où deux chercheurs américains réalisent les premiers afficheurs à cristaux liquides sous l'effet d'une tension électrique, un théoricien français, Pierre-Gilles de Gennes porte son intérêt sur le sujet. Il avait déjà travaillé sur le magnétisme et la supraconductivité. Le travail de P.G. de Gennes montre en particulier la stricte analogie qui existe entre certains changements d’état de cristaux liquides et un phénomène aussi éloigné en apparence que la transition d’un métal de son état normal à un état supraconducteur. Il précise le comportement des cristaux liquides et prédit de nouvelles phases : de même qu'un métal supraconducteur de deuxième espèce en champ magnétique, la phase smectique A* (dans cette phase, les molécules sont chirales (symbole *), disposées en couches et perpendiculaires au plan des couches (symbole A)) devient nématique chirale (id. cholestérique) au-dessus d'une température critique^[7]. Cette approche a profondément influencé le développement moderne de la science des cristaux liquides. La phase smectique A* sera observée en 1989. Il a obtenu le prix Nobel de physique 1991 pour avoir découvert que les méthodes développées pour l'étude des phénomènes d'ordre dans les systèmes simples peuvent être généralisées à des formes plus complexes de la matière, en particulier aux cristaux liquides et aux polymères.

Premières applications

Pendant plusieurs décennies, les cristaux liquides ont été un sujet d'études théoriques. En 1968, George H. Heilmeier, un chercheur de la RCA (Radio Corporation of America), met au point le premier dispositif d'affichage à base de cristaux liquides. Il faut encore attendre cinq ans pour que la mise au point d'une technologie stable, le Twisted nematic, utilisant le biphényle permette la mise en vente du premier dispositif grand public, une montre par Seiko. Aujourd'hui, le terme de cristal liquide recouvre l'ensemble des mésophases (ou états mésomorphes de la matière). L'application principale de ces matériaux reste l'affichage des informations sur écrans plats ou miniatures. Presque toutes les substances mésogènes utilisées ont été obtenues par voie de synthèse.

Les mésophases

Les cristaux liquides sont des systèmes possédant un nombre de symétries intermédiaire entre ceux des phases solides et liquides. Leur molécules ont généralement une forme allongée ou de disque, forme encourageant un comportement directionnel collectif. Ce comportement est aussi influencé par un certain nombre de paramètres extérieurs comme les forces mécaniques, électriques ou magnétiques. Ils sont également sensible à la température, solides à basse température, et liquides à haute température. Ce phénomène peut, par exemple, être observé sur des écrans portables quand il fait très chaud ou très froid. Il y a deux grandes classes de cristaux liquides : les cristaux liquides thermotropes, les cristaux liquides lyotropes. Les thermotropes changent de phase en fonction de la température tandis que les lyotropes sont des substances dans lesquelles les mésophases sont induites par la présence d'un solvant et dépendent de la concentration comme de la température. Sont dites amphotropes les molécules permettant de générer des phases thermotropes ainsi que des phases lyotropes en présence de solvant, de nombreuses molécules ont cette propriété^[8].

Le comportement des cristaux liquides est lié à leur structure interne. Par exemple, un cristal liquide peut couler comme un liquide, mais les molécules ont un certain niveau d'ordre et sont orientées comme dans un cristal. Les différentes phases des cristaux liquides peuvent être distinguées par leurs propriétés optiques différentes (comme la biréfringence). Vu dans un microscope sous lumière polarisée, un matériau à cristaux liquides semblera être composé de zones de texture distincte. Chaque « zone » correspond à un domaine où les molécules sont orientées dans une direction différente.

Nature Chimique d'une substance mésogène

Molécule de 7OCB composée d'une partie heptane (à gauche), et d'une partie byphényl + groupe cyano (à droite), les deux parties sont reliées par un oxygène.

À titre d'exemple, considérons la molécule de 7OCB (heptyloxycyanobiphényl) représentée sur la figure ci-contre. Cette molécule est un assemblage au moyen d'une liaison chimique de deux molécules très différentes. L'heptane est un alcane, il se présente sous forme liquide entre -91 °C et 98,4 °C. La seconde partie est reliée à la première par un atome d'oxygène, il s'agit d'une molécule de cyanobiphényl. Le cyanobiphényl se liquéfie à 88 °C, cette molécule comporte un moment dipolaire permanent et est polarisable. Ces propriétés permettent d'expliquer l'attraction beaucoup plus importante entre les molécules de cyanobiphényl et ainsi la température de liquéfaction plus élevée que dans le cas de l'heptane. Les propriétés très différentes de ces deux molécules liées font naître une situation de frustration lorsqu'elles sont réunies par une liaison chimique covalente, on dit aussi qu'elles sont amphiphiles^[9]. La formation d'une structure intermédiaire entre le liquide et le solide, la mésophase, est la réponse à cette frustration. Lorsque la température s'élève, le 7 OCB est dans la phase cristalline en deçà de 54 °C, puis apparaît la phase nématique, il devient liquide isotrope à 74 °C (CR 54 N 74 I). La présence de l'atome d'oxygène a une certaine importance, sa présence augmente les températures des transitions Cristal-Nématique et Nématique-Liquide isotrope par rapport à la molécule de 7CB (Cr 30 N 42,8 I). Les cycles aromatiques contribuent aux propriétés mésomorphes par la rigidité qu’ils induisent dans la molécule ainsi que par la grande polarisabilité des électrons du noyau benzénique, augmentant les forces de Van der Waals (forces électrostatiques attractives) susceptibles de rendre stables les mésophases. Dans les afficheurs à cristaux liquides, on mélange généralement plusieurs produits dans les proportions eutectiques de manière à obtenir la phase voulue dans la gamme de température d'utilisation. Lorsqu'on allonge la chaîne aliphatique, à partir de n=8, il apparaît une phase supplémentaire entre la phase cristalline et la phase nématique : la phase smectique. Des molécules de forme différente, comportant des cycles sont à l'origine des phases discotiques. Ces molécules ont particulièrement été étudiées par Chandrasekhar^[2].

Cristaux liquides thermotropes

Tableau récapitulatif des mésophases les plus communes

Le paramètre d'état est la température. Les différents types de mésophases se caractérisent par l'ordre qu'on y trouve, ordre de position, ordre d'orientation, corrélation à courte et à longue distance. Par exemple, un cristal liquide peut couler comme un liquide, mais à la différence du liquide, les molécules ont un certain niveau d'ordre et sont orientées comme dans un cristal (notion de directeur). Les différentes phases des cristaux liquides peuvent être distinguées par leurs propriétés physiques différentes (comme la biréfringence).

Les phases nématiques

Positionnement et orientation des molécules dans un nématique.

La phase nématique est la mésophase la plus proche du liquide isotrope. Les molécules, qu'elles soient en forme de bâton ou de disque possèdent uniquement un ordre d'orientation. La transition de phase liquide isotrope-nématique est caractérisée par ce paramètre d'ordre : l'orientation moyenne des molécules.

Cas des molécules chirales

Positionnement et orientation des molécules dans un cholestérique.

Si les molécules sont chirales (cas des esters de cholestérol de Reinitzer), elles peuvent s'arranger de manière périodique, en hélice. Cette phase est appelée phase nématique hélicoïdale (ou phase cholestérique), elle est caractérisée par le pas « cholestérique », c'est à dire la distance entre deux couches parallèles, une fois que les molécules ont fait un tour complet sur elles mêmes. Il est important de noter que les couches sont « virtuelles » car la rotation est continue le long du directeur. Typiquement, le pas varie du dixième de micron au micron, il est donc de l'ordre de grandeur des longueurs d'ondes du domaine visible. Cette caractéristique donnent à cette phase des propriétés optiques utilisées dans diverses applications.

Cas des molécules discoïdes

Les molécules discoïdes peuvent former des phases nématiques et cholestériques. Ces mésophases s'appellent alors : nématique (ou cholestérique) discoïde.

Les phases smectiques

Positionnement et orientation des molécules dans un smectique. À gauche, un smectique A et à droite un smectique C.

La phase smectique correspond à des molécules organisées en couches. Elles possèdent donc, en plus d'un ordre d'orientation, un ordre de position, de par ce fait la phase smectique est plus organisée que la phase nématique et donc d'avantage proche de l'état solide cristallin. Dans ces couches, les molécules peuvent se déplacer comme dans un liquide, mais le saut d'une molécule d'une couche à une autre demande une énergie beaucoup plus élevée. Au sein de la couche, les molécules tendent à garder une orientation commune. L'ordre d'orientation entre deux couches successives n'est pas systématique, différents types de phases smectiques existent. Les molécules peuvent ainsi être perpendiculaires aux couches (smectique A) ou inclinées dans le plan des couches (smectique C), posséder ou non des ordres de liaison ou de position à l'intérieur des couches.
La morphologie des molécules donnant lieu à une phase smectique est constituée d'une partie centrale rigide, des cycles aromatiques par exemple, et de deux extrémités flexibles comme des chaînes grasses.
La présence de molécules chirales dans une phase smectique C* induit une torsion d'orientation d'une couche à l'autre, une bonne comparaison serait un vecteur oblique tournant autour d'un axe vertical formant ainsi un cône. La chiralité des molécules dans une phase smectique A* ne conduit quant à elle à aucun changement.

Phases colonnaires.

Les phases colonnaires

Les molécules discoïdes peuvent former des phases nématiques ou smectiques mais elle peuvent aussi s'empiler pour former des phases colonnaires de géométrie variable : verticale, oblique...

Cristaux liquides lyotropes

Structure d'un cristal liquide lyotrope de type eau/huile/surfactant. Des phosopholipides forment le surfacturant.

1. Phase lamellaire (ici appelée bicouche lipidique)
2. Micelle

La tête polaire est en rouge au contact de l'eau, les queues baignent dans l'huile.

Les paramètres d'état sont la concentration et la température. Un cristal liquide lyotrope est une solution composé de plusieurs composants comportant des propriétés de cristal-liquide dans une certaine gamme de concentration et de température. Par rapport aux cristaux liquides thermotropes, les lyotropes ont un degré de liberté supplémentaire : la concentration, ce qui leur permet d'induire une riche variété de phases. Dans ces phases lyotropiques, les molécules de solvant remplissent l'espace entre les autres composants et apportent de la fluidité au système.

Une molécule composée d'une partie hydrophile et d'une partie hydrophobe est appelée amphiphile ou molécule de surfactant car ces molécules aiment se situer aux interfaces et réduisent l'énergie nécessaire à la création de surfaces. De nombreuses molécules amphiphiles en solution montrent des phases lyotropes. La nature moléculaire du solvant est déterminante pour la structure du fluide. Le savon est l'exemple typique d'un cristal liquide lyotrope. Les phospholipides, composant les membranes biologiques sont aussi des cas remarquables de molécules amphiphiles : les deux acides gras forment une queue hydrophobe et le groupement phosphate une tête polaire.

Schéma d'un micelle inverse formé par des phospholipides dans un solvant organique.

Dans un solvant polaire comme l'eau, à très faible concentration en surfactant, les molécules sont dispersées, il n'y a pas d'ordre apparent. En augmentant un peu cette concentration, les molécules amphiphiles s'assemblent spontanément pour former des structures sphéroïdales, les micelles. Les parties hydrophobes des composés amphiphiles se regroupent à l'intérieur des micelles, exposant les parties polaires au solvant. Ces objets sphériques sont eux-mêmes dispersés dans la solution. À plus forte concentration, un ordre à plus grande échelle apparaît. Une phase typique est la phase colonnaire hexagonale, dans laquelle les molécules amphiphiles s'assemblent pour former de longs cylindres, qui s'arrangent sur un réseau hexagonal. En augmentant encore la concentration, des phases lamellaires apparaissent : les molécules amphiphiles s'assemblent alors tête-bèche, leur partie hydrophobe face à face, formant des bicouches, le solvant se situe entre ces couches. Les membranes biologiques et les liposomes ont une telle organisation. Enfin, à plus forte concentration encore, des micelles dit inverses apparaissent, le solvant étant encapsulé à l'intérieur des structures formées par les molécules amphiphiles.

Méthodes de caractérisation

Texture d'une phase nématique

Texture d'une phase smectique C

Texture d'une phase smectique A

Exemple de spectre de calorimétrie différentielle d'un cristal liquide. À droite le pic large est dû aux chaînes alkyles (désordonnées).

Plusieurs méthodes physico-chimiques permettent de caractériser les mésophases, en particulier la microscopie à lumière polarisée et la calorimétrie différentielle à balayage.

Microscopie à lumière polarisée

Le microscope polarisant est constitué de deux filtres polarisants, le polariseur et l'analyseur. Les cristaux liquides sont des cristaux anisotropes ils sont donc sujets au phénomène de biréfringence, suivant la direction de polarisation, la lumière n'aura pas la même vitesse. Lorsqu'un rayon lumineux pénètre dans un cristal liquide, il se dédouble en deux rayons de polarisation différente qui se propagent avec une vitesse différente. Le filtre analyseur placé après l'échantillon sélectionne à nouveau les rayons lumineux selon leur polarisation, ainsi, selon la quantité dont a tourné la polarisation (donc selon la nature des cristaux), ceux-ci apparaissent plus ou moins lumineux, voire de couleurs différentes. Le résultat de l'observation s'appelle une texture qui est caractéristique de la mésophase.

Calorimétrie différentielle à balayage

On mesure la quantité de chaleur absorbée par les cristaux liquides, à chaque transition de phase correspond un pic d’enthalpie. Lorsqu’une phase apparaît qu’on augmente ou qu’on diminue la température, elle est appelée énantiotrope. Lorsqu’une phase n’apparaît qu’en diminuant ou qu’en augmentant la température, elle est appelée monotrope.

Applications

L'application la plus connue des cristaux liquides est l'Afficheur à Cristaux Liquides (ACL) aussi connu dans le commerce sous le sigle anglais « LCD » (Liquid Crystal Display). L'affichage à cristaux liquides utilise les propriétés des nématiques. La propriété du changement de couleur par rapport à l'angle d'observation a aussi été utilisé dans les billets de banque, sur certains logos, ou certaines peintures décoratives.

Les cristaux liquides cholestériques dont les propriétés optiques dépendent fortement de la température peuvent être utilisés comme thermomètre. D'autres changeant de couleur selon la contrainte fournissent des indicateurs de tension ou de pression.

Beaucoup de fluides communs sont des cristaux liquides lyotropes. Les savons, par exemple, sont des cristaux liquides, qui offrent une grande variétés de phases en fonction de la concentration en eau. Les cristaux liquides sont très présents en biologie, citons par exemple les membranes cellulaires et l'artériosclérose, maladie liée aux transitions de phases des cristaux liquides.

Afficheurs à cristaux liquides

Écran à cristaux liquides :

1. Filtre de polarisation (vertical)
2. Verre avec électrodes correspondant au filtre vertical
3. Cristaux liquides
4. Verre avec électrodes correspondant au filtre horizontal
5. Filtre horizontal pour bloquer/laisser passer la lumière
6. Surface réfléchissante

Le fonctionnement des écrans à cristaux liquides (afficheur à nématiques twistés) dépend fondamentalement de la propriété de polarisation de la lumière. La lumière est composée de particules appelées photons. Pendant leur voyage, les photons vibrent dans un plan perpendiculaire à leur direction. Pour une lumière non-polarisée, la direction de vibration est aléatoire à l'intérieur du plan.

Certains processus affectent la direction de vibration : à l'interface entre deux milieux, la lumière réfléchie est plus fortement polarisée dans la direction parallèle à la surface que dans la direction perpendiculaire. Cette lumière est partiellement polarisée. Certains matériaux, à l'instar des filtres de polarisation, absorbent les composantes d'une certaine direction et laissent passer les composantes suivant une direction perpendiculaire. Ainsi, deux filtres placés l'un derrière l'autre et polarisant la lumière dans des directions perpendiculaires ne la laissent plus passer. La cellule de base d'un afficheur à cristaux liquides est constituée de deux filtres polarisant croisés enfermant un cristal liquide (épaisseur typique de 10 µm). Si les molécules sont perpendiculaires aux plans des polariseurs (dans la direction de la lumière), elles n'ont pas d'influence sur l'état de polarisation, la lumière n'est pas transmise, et la cellule apparaît noire. Si les molécules sont parallèles aux plans des polariseurs (donc dans le plan de polarisation de la lumière), l'état de polarisation est modifié.

Les surfaces des polariseurs sont traitées de manière que les molécules du nématique s'orientent dans la direction de polarisation, on parle « d'ancrage ». D'un bord à l'autre de la cellule, une contrainte de torsion s'exerce sur le cristal liquide « Twisted nematic ». La lumière est alors transmise d'un bord à l'autre de la cellule, sa direction de polarisation tournant en même temps que le nématique (configuration en hélice). La cellule est transparente.

Les molécules du nématique étant sensibles au champ électrique, une différence de potentiel appliquée entre les deux polariseurs permet de les orienter parallèlement au champ (sauf à la surface où les molécules sont accrochées à celle-ci). Nous sommes alors dans le cas où la lumière ne passe pas à travers la cellule. Lorsque le champ diminue, arrive la transition où les molécules reprennent leur état torsadé (la lumière passe à nouveau). À partir de cet interrupteur de lumière, la couleur peut être générée en utilisant des filtres colorés.

Les détecteurs de température et de pression

La variation de l'angle de torsion de l'hélice du cholestérique en fonction de la température est utilisée par le thermomètre frontal à affichage digital. Le pas de l'hélice est en effet sensible aux variations de température et de pression et la variation du pas induit un changement de couleur. Ces transitions sont réversibles grâce à l'élasticité du cristal liquide.

Les vitrages

Ce sont des vitrages prenant en sandwich une couche de cristal liquide nématique sous forme de gouttelettes immobilisées dans un polymère entre deux plaques de verre recouvertes d'une couche métallique fine pour constituer un condensateur. Ce vitrage passe d'un état laiteux (comme une vitre dépolie), en l'absence de tension, à un état transparent (comme une vitre ordinaire) sous tension.

La cagoule pour soudure à l'arc

L'une des plus récentes applications apporte un grand confort aux soudeurs à l'arc : l'assombrissement est réalisé de manière automatique par détection du niveau lumineux, en moins d'une milliseconde.

Annexes

Bibliographie

• (en) S. Chandrasekhar, Liquid Crystals, Cambridge University Press, Cambridge, 1992 (ISBN 9780521417471).
  Ouvrage de référence sur le sujet.
   
• (en) P.G. de Gennes, J. Prost, The Physics of Liquid Crystals, Oxford Clarendon Press, Oxford, 1993 (ISBN 9780198517856).
  Ouvrage de référence sur le sujet.
   
• (en) Antal Jakli, A. Saupe, One- and Two-Dimensional Fluids: Properties of Smectic, Lamellar and Columnar Liquid Crystals, Taylor and Francis, 2006 (ISBN 9780750309691) 
• (fr) Patrick Oswald , Pawel Pieranski, Les cristaux liquides, Concepts et propriétés physiques illustrés par des expériences, Gordon and Breach, 2000. Deux tomes : tome 1 (ISBN 9789056992804) et tome 2 (ISBN 9782847030075)
  Ouvrage issu de l'expérience d'enseignement en DEA des auteurs.
• (fr) M. Mitov, Les Cristaux Liquides, Que Sais-Je ? n^o 1296, PUF, 2000. (ISBN 9782130505143)
  Aspects historiques, fondamentaux et utilisations pratiques.
• (en) G.W. Gray (en), Molecular Structure and the Properties of Liquid Crystals, Academic Press, 1962.
  Premier ouvrage de référence édité sur le sujet.
• (en) P.J. Collings, Liquid Crystals: Nature's Delicate Phase of Matter, Princeton University Press, 2001, (ISBN 9780691086729)
• (fr) G. Friedel, Leçons de cristallographie, Albert Blanchard, Paris, 1964.

Notes et références

Voir aussi

Articles connexes

• Écran à cristaux liquides
• Nématique
• Colloïde
• Micelle
• Surfactant
• Amphiphile
• Transitions de phase
• Thermochromie

Liens externes

• Lien vers l'article de Otto Lehmann (en) Uber Fliessende Krystalle[pdf]
• Lien vers l'article de Georges Friedel (en) États mésomorphes de la matière[pdf]
• Lien vers nobelprize.org De Gennes prix Nobel 1991
• Les vitrages à transparence variable SGG-Privalite® de Saint-Gobain
• Les masques de soudage Autodark® de Kemper
• Société Internationale des Cristaux Liquides ilcsoc

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