Une équipe de scientifiques de l’Université du Colorado Boulder et de l’Université de l’Utah a confirmé l’existence d’une phase ferroélectrique nématique de cristal liquide proposée pour la première fois il y a plus de 100 ans.
Les cristaux liquides nématiques sont un sujet brûlant dans la recherche sur les matériaux depuis les années 1970. Ces matériaux présentent un curieux mélange de comportements fluides et solides, qui leur permet de contrôler la lumière. Les ingénieurs les ont largement utilisés pour fabriquer les écrans à cristaux liquides.
Pensez aux cristaux liquides nématiques comme si vous laissiez tomber une poignée d’épingles sur une table. Dans ce cas, les épingles sont des molécules en forme de tige qui sont polaires.
Dans un cristal liquide nématique traditionnel, la moitié des épingles pointent vers la gauche et l’autre moitié vers la droite, la direction étant choisie au hasard.
Une phase de cristal liquide nématique ferroélectrique, cependant, est beaucoup plus disciplinée.
Dans un tel cristal liquide, des taches ou des domaines se forment dans l’échantillon, dans lesquels les molécules pointent toutes dans la même direction, à droite ou à gauche. En langage physique, ces matériaux ont un ordre polaire.
“Notre découverte d’un tel cristal liquide pourrait ouvrir la voie à une multitude d’innovations technologiques, allant de nouveaux types d’écrans d’affichage à une nouvelle conception de la mémoire des ordinateurs”, a déclaré le professeur Noel Clark de l’université du Colorado à Boulder.
Les lauréats du prix Nobel Peter Debye et Max Born ont suggéré pour la première fois dans les années 1910 que, si l’on concevait correctement un cristal liquide, ses molécules pouvaient se placer spontanément dans un état polaire ordonné.
Peu de temps après, les chercheurs ont commencé à découvrir des cristaux solides qui faisaient quelque chose de similaire : leurs molécules pointaient dans des directions uniformes. Elles pouvaient également être inversées, passant de la droite à la gauche ou vice versa sous l’effet d’un champ électrique. Ces cristaux solides ont été appelés ferroélectriques.
Le professeur Clark et ses collègues ont découvert que la phase liquide cristalline de 4-hydroxybenzène était un élément essentiel de l’économie.[(4-nitrophenoxy)carbonyl]phényl2,4-diméthoxybenzoate (RM734), une molécule organique créée par des scientifiques de l’Université de York en 2017, était 100 à 1 000 fois plus réactive aux champs électriques que les cristaux liquides nématiques habituels.
Cela suggère que les molécules qui composent le cristal liquide démontrent un ordre polaire fort.
“Lorsque les molécules sont toutes dirigées vers la gauche, et qu’elles voient un champ qui leur dit d’aller à droite, la réponse est spectaculaire”, a déclaré le professeur Clark.
Les scientifiques ont également découvert que des domaines distincts semblaient se former spontanément dans le cristal liquide lorsqu’il refroidissait à partir d’une température plus élevée. En d’autres termes, il y avait, dans leur échantillon, des zones dans lesquelles les molécules semblaient être alignées.
“Cela a confirmé que cette phase était, en effet, un fluide nématique ferroélectrique”, a déclaré le professeur Clark.
Cet alignement était également plus uniforme que ce à quoi l’équipe s’attendait.
“L’entropie règne dans un fluide. Tout s’agite, donc nous nous attendions à beaucoup de désordre”, a déclaré Joe MacLennan de l’Université du Colorado à Boulder.
“Lorsque nous avons examiné dans quelle mesure les molécules étaient bien alignées à l’intérieur d’un seul domaine, nous avons été stupéfaits par le résultat. Les molécules étaient presque toutes orientées dans la même direction.”
L’étude a été publiée dans le Proceedings of the National Academy of Sciences.