CRISTAUX LIQUIDES

Contrairement à ce que pourrait laisser penser la dénomination « cristal liquide », ces matériaux ne sont pas caractérisés par leur état plus ou moins fluide mais par leurs structures extrêmement originales appelées phases mésomorphes, qui en font bien des formes entièrement nouvelles de la matière. Les domaines d'existence de ces phases sont d'ailleurs séparés des domaines d'existence des phases solides ou liquides par des discontinuités de la plupart des propriétés physiques. On sait qu'il existe trois grandes familles de cristaux liquides : les smectiques, les nématiques et les cholestériques.

Nature chimique des phases mésomorphes

En modifiant la structure moléculaire d'un composé, il est possible d'en faire varier de façon spectaculaire les propriétés qui dépendent directement de la forme et des dimensions de la molécule aussi bien que de son moment dipolaire permanent et de sa polarisabilité. Une légère modification au niveau moléculaire peut en effet provoquer des changements considérables des propriétés macroscopiques du matériau dans les diverses phases condensées. Grâce à l'étude de séries de composés mésomorphes, il est possible de formuler des conclusions empiriques concernant la relation entre la nature de la mésophase et la structure moléculaire des espèces chimiques correspondantes. Divers travaux ont permis de répondre peu à peu à quelques-unes des questions principales concernant les aspects moléculaires prépondérants qu'il faut prendre en considération pour obtenir des matériaux mésomorphes : s'agit-il des dimensions des molécules, de la nature des fonctions chimiques, de la symétrie, des moments dipolaires, ou de la polarisabilité... ? Quelle est l'influence de telle ou telle particularité structurale sur la stabilité thermique d'un cristal liquide, les valeurs des températures des transitions, de la biréfringence du milieu, l'importance et le signe de l'anisotropie diélectrique, la stabilité chimique et photochimique ?

En dehors de leur intérêt théorique, les réponses à ces questions sont immédiatement transposables à de nombreux domaines de la chimie, de la physique et même de la biologie et permettent, même si elles sont parfois empiriques et partielles, de progresser dans les multiples domaines technologiques où interviennent les cristaux liquides. Les propriétés physiques de ces matériaux conditionnent en effet leur utilisation dans divers dispositifs et la stabilité, dans le temps, des matériaux utilisés constituera toujours un critère de choix primordial au niveau des applications.

Les matériaux mésomorphes se répartissent en deux grandes catégories : les thermotropes et lyotropes.

Les matériaux thermotropes

Ils présentent une ou plusieurs phases mésomorphes qui apparaissent par simple élévation de la température du solide initial. Le motif moléculaire élémentaire est, en général, constitué par de petites molécules organiques.

Molécules de forme allongée

Smectiques et nématiques

La plupart du temps, les molécules nématogènes ou smectogènes sont du type :

où X est un groupement rigide et où les groupes latéraux R₁ et R₂ sont généralement des chaînes alkyl, alcoxy ou acyl, des groupements C ≡ N ou NO₂ ou tout simplement des halogènes.

L'importance des divers blocs constitutifs de la molécule :

fait actuellement l'objet de nombreux travaux afin de déterminer le rôle joué par les noyaux benzéniques, l'influence de la nature du groupement central X, l'effet de la longueur ou de la ramification de chaînes R₁ et R₂, et l'efficacité de tel ou tel substituant sur les cycles. On peut schématiser les résultats de ces travaux en disant que la rigidité du groupement central X et la non-ramification des chaînes R₁ et R₂ constituent des facteurs favorables à l'obtention d'une phase mésomorphe.

L'influence de la conformation de la chaîne est, par contre, beaucoup trop complexe à analyser pour qu'il soit possible de conclure de façon aussi schématique.

À partir de ces quelques idées générales, de nombreuses variantes ont été envisagées. Des séries intéressantes font, en particulier, intervenir plusieurs cycles :

Il faut noter que certains matériaux smectiques présentent une polarisation spontanée – une ferroélectricité – liée à une distorsion naturelle qui peut exister en l'absence même des contraintes extérieures. Ces nouveaux matériaux découverts en 19 [...]

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