Définition et applications des cristaux liquides

Le passage d'un état liquide à un état solide (cristallisé) est généralement brusque. On passe alors d'un état amorphe (qui prend la forme du récipient) à un état compact (qui conservera la forme qu'il avait au moment de sa cristallisation).

Cependant, il existe certaines matières qui à l'état solide restent amorphes : c'est le cas du verre, qui s'apparente davantage à un "arrêt sur image" d'un liquide (ses atomes restant en désordre, lui permettant ainsi d'être transparent).

Pour les cristaux liquides c'est encore différent. Ceux-ci appartiennent à un état intermédiaire qui permet aux molécules de se mouvoir tout en les soumettant à certaines caractéristiques cristallines : la phase nématique.

1- Un peu d'histoire

La première personne à avoir émis l'idée d'un état de matière intermédiaire aux états amorphe et cristallin est un Autrichien : Friedrich Reinitzer. En 1888 celui-ci étudiait des cristaux de benzoate de cholestérol (C34 H50 O2) et leur réaction confrontés à la chaleur. Le scientifique constate alors qu'il fond à 145,5°c en un liquide blanc laiteux et renvoie alors des reflets colorés lorsqu'éclairé à la lumière blanche ; mais, surprise, le liquide change d'état de nouveau : chauffé à 178,5°c il devient clair...

C'était la première fois que l'on découvrait la possibilité de l'existence de deux températures de fusion. Reinitzer réalisera donc l'expérience à plusieurs reprises en purifiant davantage le benzoate de cholestérol, voulant être sûr que cet "état intermédiaire" n'était pas dû à la présence d'impuretés dans ce dernier.

2- Un agencement moléculaire

Les cristaux liquides sont en fait constitués de telle sorte que les molécules sont organisées en bâtonnets, qui peuvent alors s'empiler (à la différence de structures sphériques).

En revanche, même si elles ont tendance à s'empiler, elles présentent une attirance réciproque faible. Les molécules seront donc orientées à la manière de groupes de bois sur un fleuve : on voit ici différents groupes ordonnés en leur sein et désordonnées dans leur agencement de groupe-groupe.

Si l'on refroidit la phase nématique, il est courant qu'il passe par d'autres phases intermédiaires que l'on nomme "phases smectiques". Lorsqu'enfin une goutte de nématique se refroidit on observe au microscope une réorganisation progressive en éventails :

On voit ici que la phase nématique s'est cristallisée de droite à gauche ; en effet, les cristaux suivent un ordre d'avancée en éventails orientés :

Acquisition numérique de la cristallogénèse de vanilline.

Les cristaux liquides sont utilisés dans la vie de tous les jours, et peut-être même à votre insu. La principale utilisation de ces derniers concerne les écrans LCD (Liquid Crystal Display).

Leur mode de fonctionnement est assez "simple" ; on isole des cristaux liquides dans des "cases" (les pixels), et, en modulant la tension électrique, change leur orientation dans l'espace. Une source lumineuse à l'arrière de l'écran traverse des filtres de couleur qui constituent les pixels. Elle et est ensuite déviée en fonction de l'orientation de ces derniers. Il sort une réponse binaire : la lumière traverse ou ne traverse pas. Enfin, (si transmise) elle passe à travers un filtre polarisant, on la repolarise pour qu'elle nous parvienne colorée et non blanche.