les cristaux liquides[1]

avoirs Bac to basics Michel Mitov est chargé de recherche au centre d'élaboration de matériaux et d'études structurales du CNR5 á Toulouse. [email protected] 'La polarisation de la lumiere est l'orientation particuliére du champ électrique de ['onde associée par rapport asa direction de propagation. ·Pierre Gilles de Gennes est un physicien franc;ais né en 1932 qui rec;u le prix Nobel de physique en 1991, en particulier pour ses travaux sur les cristaux liqui des et les polyméres. ·Une molécule est chirale si elle n'est pas identique a son image dans un miroir. - Les cristaux liquides Découverts voici a peine plus d'un siecle, ces matériaux au nom paradoxal sont présents dans tout notre environnement. Non seulement dans les écrans plats de nos montres et de nos ordinateurs, mais aussi dans les billets de banque, et jusque dans notre propre corps ... • O OL. vient leur nom ? Hate-toi lentement, douce violence, un silence élo quent, un inconnu célebre, des cristaux liquides., toutes ces expressions ont un point commun : ce sont des oxymorons, assemblages de deLL l termes contra dictoires. En 1922, le cristallographe fran<;ais Georges Friedel fustigeait CeLL l qui, acceptant et répandant le terme « cristalL'l liquieles », « n eurent pas l ocfnsion e I/oir par eux-memcs» ou bien qui, « a) an/ VIl n avaienL au slljc/ du cristal e de l matiere cristal1isée que des idées lroubles(l) »1 Quell es conditions historiques valurent donc aux cris taux liquides ce nom de bapteme si lourel a porter? En 1888, le botaniste autrichien Reinitzer étudiait a Prague des crista ~ l de benzoa te de cholestérol, extraits de ca culs biliaires, qui ne se comportaient pas comme des cristaux habituels : i1s fondaient a 145,5 oc en se lransfonn,lIlt en un f1uide laiteux qui c1evenait ensuite un liquide parfaitement c1air a 178,5 oc Reinitzer écri vit alors a l un des cristallographesles plus expéri mentés de l'époque, lehmann, a Aix-la-Chapelle. pour lui faire part de ses surprenantes observations. Lehmann avait construü une platine chauffante qui lui permettait ele suivre en direct les changements optiques e1 un cristallorsque la température varie. II s'en servit pour poursuivre I'observation au micro scope des changements d'état e1u benzoate de choles térol et d'autres substances, synthétisées ou extrajtes de cliverse s plantes: ces produits avaient tous I'aspect caractéristique d' un cristallorsqu'ils étai ent éc1 airés par une lumier e polarisée*, mais ils cou1aient aussi comme des liquides ordinaire s. La réunion de ces propriétés suggéra a un Lehmann hésitan t plusieurs appellations successives : « crislallX coulanls » en 1889, « li1Juides crisla/ ¡ins» en 1890, enfin « o islaux liquides» en 1900. • ~ L-A- lft1¡l>jE M l f T I E ~ E Ró¿LE • A quoi ressemblent les molécules d un cristal liquide ? Du point de vue de leur fonne, les molécules d'un cristal liquide se présentent le plus souvent comme des batonnets de quelques nanometres de longueur et quelques dixiemes de nanometre de section. Mais d'autres sont des disques, ou des pyramides. Du point de vue de leur st ructure c[¡imique, la plu part eles cristaux liquides sont constitués de molé cuJes organiques a base de carbone) qui comportent au moins e1eux parties différentes par leur structure (une partie rigiele et une part ie flex ible ), par leurs pro priétés (une partie hyclrophile et une autre hydro phobe), par la mixité des groupements associés (un groupe hydrocarboné et un autre fluorocarboné). On retrouve la, apres leur nom, le double visage des cris taux liquiele, qui concilient e1eux entités que bien des criteres semblaient devoir séparer.. JI existe aussi eles objets rigides minéraux en forme d'aiguilles, de rubans ou de plaquettes qui, dispersés dans un solvant présentent des phases cristal liquide. Négligée depuis quelques observations préliminaires en 1925, l'étude des cristaux liquides minéraux a redé marré dans les années 1990 2) • Quid du cristal, quid du liquide? A l'école, on distingue habit uelJement trois états fon damentaux de la matiere, en se fondant sur l'orclre des molécules : solide cristallin, liquide et gaz. Cette classification est utile pour une premiere approche, mais il existe de nombreux autres états qui brouillent les flOntieres : émulsions, gels, polymeres, mousses. ou cristalL'l liquides, tous membres de la grande familJe de la matiere molle, selon I'expression popularisée par Pien'e-Gilles de Gennes*. C'est en 1905, et avec ¡'aide du physico-dümiste Schenck, que Lehmann, apres plusieurs polémiques, parvint a convaincre ses collegues que j'état cristal liquide était un état de la matiere a part entiere, en met tant en évidence des discontinuités dans les transi tions de phase. Un cristal est un arrangement ordonné et périodique d'atomes ou de molécules. En moyenne, J'ordre est total, pour la position comme pour J'orien tation des molécules. Ces ordres sont completement perdus da n s un liquide. Dans un cristal liquide stan dard, la situation est intermédiaire (on parle d'ailleurs 48 AVRlL 2002 LA RECHERCHE 352

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