Les scientifiques créent des cristaux liquides qui ressemblent beaucoup à leurs homologues solides – Technoguide

Une équipe de l’Université du Colorado à Boulder a conçu de nouveaux types de cristaux liquides qui reflètent les structures complexes de certains cristaux solides – une avancée majeure dans la construction de matériaux fluides qui peuvent correspondre à la diversité colorée des formes vues dans les minéraux et les pierres précieuses, de la lazulite. à la topaze.

Les résultats du groupe, publiés aujourd’hui dans la revue Nature, pourraient un jour conduire à de nouveaux types de fenêtres intelligentes et d’écrans de télévision ou d’ordinateurs capables de plier et de contrôler la lumière comme jamais auparavant.

Les résultats se résument à une propriété des cristaux solides qui sera familière à de nombreux chimistes et gemmologues: la symétrie.

Ivan Smalyukh, professeur au département de physique de l’UC Boulder, a expliqué que les scientifiques classent tous les cristaux connus en sept classes principales, ainsi que de nombreuses autres sous-classes – en partie basées sur les «opérations de symétrie» de leurs atomes internes. En d’autres termes, de combien de façons pouvez-vous coller un miroir imaginaire à l’intérieur d’un cristal ou le faire pivoter et toujours voir la même structure? Considérez ce système de classification comme les 32 saveurs de Baskin-Robbins, mais pour les minéraux.

À ce jour, cependant, les scientifiques n’ont pas été en mesure de créer des cristaux liquides – des matériaux fluides que l’on trouve dans la plupart des technologies d’affichage modernes – qui se déclinent dans ces mêmes saveurs.

“Nous savons tout sur toutes les symétries possibles des cristaux solides que nous pouvons faire. Il y en a 230”, a déclaré Smalyukh, auteur principal de la nouvelle étude qui est également membre du Renewable and Sustainable Energy Institute (RASEI) à CU Rocher. “En ce qui concerne les cristaux liquides nématiques, le type de la plupart des écrans, nous n’en avons que quelques-uns qui ont été démontrés jusqu’à présent.”

C’est, jusqu’à maintenant.

Dans leurs dernières découvertes, Smalyukh et ses collègues ont proposé un moyen de concevoir les premiers cristaux liquides qui ressemblent à des cristaux monocliniques et orthorhombiques – deux de ces sept classes principales de cristaux solides. Les découvertes, dit-il, apportent un peu plus d’ordre dans le monde chaotique des fluides.

«Il existe de nombreux types de cristaux liquides possibles, mais, jusqu’à présent, très peu ont été découverts», a déclaré Smalyukh. “C’est une excellente nouvelle pour les étudiants car il y a beaucoup plus à trouver.”

Symétrie en action

Pour comprendre la symétrie des cristaux, imaginez d’abord votre corps. Si vous placez un miroir géant au milieu de votre visage, vous verrez un reflet qui ressemble (plus ou moins) à la même personne.

Les cristaux solides ont des propriétés similaires. Les cristaux cubiques, qui comprennent les diamants et la pyrite, par exemple, sont constitués d’atomes disposés sous la forme d’un cube parfait. Ils ont beaucoup d’opérations de symétrie.

“Si vous faites pivoter ces cristaux de 90 ou 180 degrés autour de nombreux axes spéciaux, par exemple, tous les atomes restent aux bons endroits”, a déclaré Smalyukh.

Mais il existe également d’autres types de cristaux. Les atomes à l’intérieur des cristaux monocliniques, qui comprennent du gypse ou de la lazulite, sont disposés dans une forme qui ressemble à une colonne inclinée. Retournez ou faites pivoter ces cristaux autant que vous le souhaitez, et ils n’ont toujours que deux symétries distinctes – un plan de miroir et un axe de rotation de 180 degrés, ou la symétrie que vous pouvez voir en faisant tourner un cristal autour d’un axe et en remarquant qu’il ressemble la même chose tous les 180 degrés. Les scientifiques appellent cela un état de «faible symétrie».

Cependant, les cristaux liquides traditionnels ne présentent pas ce type de structures complexes. Les cristaux liquides les plus courants, par exemple, sont constitués de minuscules molécules en forme de bâtonnets. Au microscope, ils ont tendance à s’aligner comme des nouilles de pâtes sèches jetées dans une casserole, a déclaré Smalyukh.

“Lorsque les choses peuvent couler, elles ne présentent généralement pas de symétries aussi faibles”, a déclaré Smalyukh.

Commande dans les liquides

Lui et ses collègues voulaient voir s’ils pouvaient changer cela. Pour commencer, l’équipe a mélangé deux types différents de cristaux liquides. Le premier était la classe commune composée de molécules en forme de bâtonnet. Le second était constitué de particules en forme de disques ultra-minces.

Lorsque les chercheurs les ont réunis, ils ont remarqué quelque chose d’étrange: dans les bonnes conditions du laboratoire, ces deux types de cristaux se poussaient et se pressaient, changeant leur orientation et leur disposition. Le résultat final était un cristal liquide nématique avec une symétrie qui ressemble beaucoup à celle d’un cristal monoclinique solide. Les molécules à l’intérieur affichaient une certaine symétrie, mais un seul plan miroir et un axe de rotation de 180 degrés.

Le groupe avait créé, en d’autres termes, un matériau avec les propriétés mathématiques d’une lazulite ou d’un cristal de gypse – mais le leur pouvait couler comme un fluide.

«Nous posons une question très fondamentale: de quelles manières pouvez-vous combiner ordre et fluidité dans un même matériau?» Dit Smalyukh.

Et les créations de l’équipe sont dynamiques: si vous chauffez ou refroidissez les cristaux liquides, par exemple, vous pouvez les transformer en un arc-en-ciel de différentes structures, chacune avec ses propres propriétés, a déclaré Haridas Mundoor, auteur principal du nouvel article. . C’est assez pratique pour les ingénieurs.

«Cela offre différentes avenues qui peuvent modifier les technologies d’affichage, ce qui peut améliorer l’efficacité énergétique des performances des appareils comme les téléphones intelligents», a déclaré Mundoor, un associé de recherche postdoctoral à CU Boulder.

Lui et ses collègues sont encore loin de fabriquer des cristaux liquides capables de reproduire le spectre complet des cristaux solides. Mais le nouveau papier les rapproche plus que jamais – une bonne nouvelle pour les fans de choses brillantes partout.

Parmi les autres co-auteurs du nouvel article figurent Jin-Sheng (Jason) Wu, étudiant diplômé de la CU Boulder, et Henricus Wensink de l’Université Paris-Saclay.

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