Bien qu'ils ne constituent qu'un faible pourcentage de tous les composés organiques, l'importance des cristaux liquides ne cesse de croître. Leur utilisation pratique de plus en plus large et leur présence dans de nombreux systèmes, par exemple biologiques, rendent les phases de cristaux liquides intéressantes non seulement pour les chercheurs de divers domaines. Le résultat du travail des scientifiques mené au cours des dernières décennies est la synthèse de dizaines de milliers de composés de cristaux liquides et la découverte de leurs propriétés extraordinaires.
Caractéristiques des cristaux liquides
Les états intermédiaires entre les solides et les liquides – les mésophases – sont appelés cristaux liquides. Leurs particules ont une forme allongée ou en forme de disque. Les cristaux liquides ont été découverts en 1888 par le botaniste allemand F. Reinitzier. Il étudiait un composé appelé benzoate de cholestérol. En chauffant cette substance, il a observé la transition de cristaux solides en un liquide trouble. Une augmentation supplémentaire de la température a donné un liquide clair. Les recherches ultérieures de Reinitzier et d’autres chercheurs se sont concentrées sur les caractéristiques de l’état de transition résultant, c’est-à-dire les cristaux liquides. Les cristaux liquides, en raison de la disposition de leurs molécules, sont divisés en :
- Les phases smectiques, les molécules S – sont disposées en couches successives. Leurs axes sont parallèles entre eux.
- Phases cholestériques, D – comme pour la phase smectique, les axes sont parallèles les uns aux autres. Les particules sont disposées en colonnes.
- Les phases nématiques, N – molécules en mouvement libre, s’alignent dans des directions spécifiques dans l’espace. Dans le cas des nématiques, leurs centres de gravité ne sont pas ordonnés.
Les cristaux liquides combinent à la fois les caractéristiques des liquides (capacité à s’écouler) et des solides (organisation de la structure). Cet état est maintenu dans le cas d’une substance particulière, uniquement dans une certaine gamme de températures. Sous l’influence même d’un léger changement de courant électrique ou de température, leur structure change. Les phases de cristaux liquides ont de très bonnes propriétés optiques. Ils présentent un dichroïsme linéaire et circulaire.
Méthodes d’obtention de cristaux liquides
Les phases de cristaux liquides ne sont possibles que pour les substances dont les molécules ont la bonne structure – une forme fortement anisotrope, l’amphiphilie. Ils sont créés dans des systèmes à un ou plusieurs composants. Le principal facteur déterminant l’obtention de cristaux liquides est un changement progressif de température. Il a une grande influence sur l’ordre des phases apparaissant les unes après les autres. Cette séquence peut se présenter comme suit : cristal – smectique – nématique – cholestérique – liquide isotrope. Une façon d’obtenir des cristaux liquides consiste à chauffer la forme cristalline solide d’une substance spécifique. Les cristaux résultants sont appelés la mésophase thermotrope. L’augmentation de la température ne fait pas fondre immédiatement la substance solide, mais transforme sa forme cristalline en une forme cristalline liquide. Un chauffage supplémentaire conduira à un liquide. Une autre manière consiste à dissoudre des molécules connues pour exister dans des phases de cristaux liquides dans un solvant approprié. Ces cristaux sont appelés la mésophase lyotrope.
L’utilisation de cristaux liquides
Sans aucun doute, les cristaux liquides sont le plus souvent associés aux écrans. Les LCD (écrans à cristaux liquides) utilisent le phénomène de biréfringence optique. Les cellules dans lesquelles sont intégrés des cristaux liquides sont reliées par des électrodes. Le contrôle de la tension résultante permet d’agencer les molécules afin d’obtenir l’effet de réfraction de la lumière. Le mélange de cristaux liquides avec des colorants entraîne (selon l’orientation des molécules) l’absorption de lumière de différentes longueurs d’onde et il devient possible d’obtenir une image en couleur. Comparé aux modèles à tube cathodique, un écran LCD ne peut fonctionner qu’à sa résolution maximale en vraie résolution. Ceci est forcé par un nombre fixe de pixels. De plus, ils n’ont pas l’effet de scintillement en raison d’un taux de rafraîchissement plus faible. Les avantages incontestables des écrans à cristaux liquides incluent également une consommation d’énergie réduite, la production d’un champ magnétique plus faible et des effets moins nocifs sur la vue. Les écrans LCD sont également utilisés dans les instruments d’aviation, les calculatrices et les montres électroniques. Autres utilisations des cristaux liquides :
- En tant qu’additifs aux peintures et aux émulsions, ils montrent la capacité de changer de couleur sous l’influence de la température (vitres de voiture teintées, jouets qui changent de couleur pendant le bain).
- Les crèmes aux cristaux liquides gagnent en popularité. Ils préviennent la perte d’eau de l’épiderme.
- Les cristaux liquides sont utilisés dans certains thermomètres. Ils utilisent le changement de couleur de la lumière réfléchie en fonction de la température. Une caractéristique similaire est utilisée dans les détecteurs de température.
- Une solution intéressante est l’utilisation de cristaux liquides comme portes logiques. Ils sont appliqués entre autres en optoélectronique, où des phénomènes dits non linéaires sont utilisés.
