Cristal liquide
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/* Notes et références */
{{Voir homonymes| Cristal (homonymie) }}
[[Image:Smectic nematic.jpg|thumb|right|Transition smectique-nématique]]
Un '''cristal liquide''' est un état de la matière qui combine des propriétés d'un [[liquide]] conventionnel et celles d'un [[État solide|solide]] [[Cristallographie|cristallisé]]. On exprime son état par le terme de [[mésophase]].
=== Historique ===
L'idée d'états intermédiaires autres que le solide cristallin ou le liquide isotrope a germé au cours du XIXème siècle, on ne connaissait alors que les trois [[états de la matière]] ([[solide]], [[liquide]], [[gaz]]). Les premières observations furent réalisées par des biologistes et des botanistes à l'aide de [[Microscopie en lumière polarisée|microscopes polarisants]], les substances biologiques extraites des tissus (animaux ou végétaux) présentant une [[biréfringence]] dans certaines conditions ([[myéline]] en [[1857]] par Mettenheimer). L'étude du [[cholestérol]] par [[Reinitzer]] en [[1888]] marque le début de l'étude des mésophases : observation de l'opacité optique et de couleurs iridescentes lorsque la température des esters de cholestérol varie, de la phase cristalline jusqu'à la phase liquide isotrope.
==== La découverte - Otto Lehmann ====
Otto [[Lehmann]] (13 juin [[1855]] [[Constance]], [[Allemagne]] – 17 juin [[1922]] [[Karlsruhe]]) est considéré comme le premier physicien ayant étudié les cristaux liquides. Entre [[1872]] et [[1877]], il étudie les sciences naturelles à l'université de [[Strasbourg]] et prépare son [[doctorat]] sous la direction de Paul Groth. D'abord professeur de sciences (physique, mathématiques et chimie) à [[Mulhouse]], il commence à enseigner à l'université d'[[Aix-la Chapelle]] en [[1883]]. Lehmann est alors reconnu pour ses travaux sur les phénomènes de croissance cristalline et du polymorphisme cristallin (modification de la structure cristalline sous l'effet de la variation d'un paramètre, le plus souvent la [[température]]) et sur la microscopie expérimentale. En [[1888]], ses échanges avec le botaniste Reinitzer le conduit a étudier les cristaux liquides. En [[1889]], il succède à [[Heinrich Hertz]] à la tête de l'Institut de Physique de Karlsruhe. A partir de [[1912]], Lehmann est un prétendant au prix [[Nobel]], mais ne l'obtient pas.
En 1888, le botaniste autrichien Friedrich Richard Reinitzer (25 février [[1857]] [[Prague]] – 16 février [[1927]] [[Graz]]), travaille à l'université de Prague sur le benzoate de cholestérol (extrait de [[carottes]]). Il veut en déterminer la formule et le poids moléculaire. En utilisant le point de fusion comme un indicateur important de la pureté de la substance, il observe l'existence de deux points de fusion et l'évolution de la substance en un liquide trouble puis coloré et enfin transparent. Il pense d'abord à la présence d'impuretés, mais la purification de la substance ne change rien au phénomène observé. Il découvre ainsi un comportement étrange (existence de deux points de fusion, réflection de la lumière polarisée circulairement et capacité à faire tourner le plan de polarisation de la lumière) dont il fait part à Lehmann.
Extrait de la lettre de Reinitzer à Lehmann (14 mars 1888, 16 pages, jointe avec deux échantillons) :
« Les deux substances (les [[esters]] de cholestérol) sont lieu de phénomènes si beaux et si étranges qu'ils devraient, je l'espère, vous intéresser aussi au plus haut point. (...) La substance possède deux points de fusion, si l'on peut s'exprimer ainsi. Vers 145,5 °C elle fond et forme un liquide trouble mais complètement fluide, lequel vers 178,5 °C devient soudainement complètement transparent. En le refroidissant, on voit apparaître les couleurs bleue et violette qui s'estompent rapidement en laissant la substance opaque (comme le lait) mais toujours fluide. En poursuivant le refroidissement, on voit réapparaître les colorations bleue et violette et, immédiatement après, la substance se solidifie en formant une masse cristalline blanche. (...) Le trouble qui apparaît en chauffant est dû non aux cristaux mais au liquide qui forme les stries huileuses ».
Lehmann réalise qu'il s'agit là d'un nouveau phénomène. Sa position et ses connaissances lui permettent alors de se lancer dans l'étude de ce problème. Il entame une étude systématique du benzoate de cholestérol et de composés apparentés possédant le phénomène de double point de fusion. Avec son microscope, il est non seulement en mesure d'effectuer des observations en lumière polarisée, mais aussi d'effectuer des observations à haute température. C'est un avantage déterminant.
De Lehmann à Reinitzer 20 août 1889:
« Mes nouveaux résultats confirment ce que vous aviez déjà vu, que le « Griess » (la substance provoquant la turbidité) est un cristal très mou, qui doit être considéré comme une modification physique de la substance. C'est absolument homogène, et un autre liquide – comme vous l'aviez supposé, n'est pas présent. (...) Il est d'un grand intérêt pour les physiciens que des cristaux existent, avec une telle mollesse qu'on pourrait les appeler liquides. ».
L'article de Lehmann intitulé « Uber Fliessende Krystalle » paru le 30 août 1889 à Zeitschrift fur Physikalische Chemie est la première publication introduisant le concept de « cristal liquide ». Pour Lehmann, le fait le plus surprenant est que la substance est biréfringente tout en étant [[fluide]], pour lui cette propriété en fait donc un cristal.
La publication de cet article permet alors à Gatterman, à [[Heidelberg]], l'observation d'un comportement similaire dans d'autres substances, comme le PAA (para-azoxy-anisole). Pour marquer le fait d'une viscosité bien plus faible que pour les esters de cholestérols, Lehman introduit alors l'appellation « Kristalline Flüssigkeiten », fluides cristallins. Lehmann publie « La structure des fluides cristallins » le 24 mars 1890.
La découverte suscita énormément d'intérêt à l'époque, mais le faible potentiel pratique fit vite retomber l'attention qu'on y portait. Cette découverte fut aussi contestée par certains scientifiques qui pensaient que l'état nouvellement découvert était probablement un mélange d'éléments solides et liquides.
Mais entre [[1910]] et [[1930]], les expériences concluantes, la découverte de nouveaux types de cristaux liquides, et les premières théories soutiennent le concept de cristaux liquides.
==== L'approche structurale - Georges Friedel ====
Dans les années qui ont suivi les travaux précurseurs de Lehmann, le volume des observations similaires a augmenté considérablement. Il devenait urgent de comprendre la véritable structure moléculaire des « cristaux liquides » ou des « liquides cristallins ». De vives polémiques ont opposés les partisans de phases homogènes à ceux pensant que le trouble était dû à la démixion de substances chimiquement impures ou bien à une fusion incomplète de la phase cristalline.
Fils du chimiste Charles [[Friedel]], Georges Friedel (19 juillet 1865 [[Mulhouse]] – 11 décembre 1933 [[Strasbourg]]) est un minéralogiste et cristallographe français. Après [[Mallard]], son maître, il adopta la théorie de [[Auguste Bravais]] et démontra la réalité physique de la loi qui porte son nom. Il a rassemblé ces travaux dans Les Groupements cristallins (1904) et dans ses Études sur la loi de Bravais (1907). En 1909, Georges Friedel assiste à une conférence de [[Lehmann]] à [[Paris]]. Entre 1909 et 1911, Friedel et [[Grandjean]] observent les liquides anisotropes de Lehmann (un certain nombre de substances organiques telles que le para-azoxyanisol et le para-azoxyphénétol) qui étaient alors très généralement désignés sous le nom de « cristaux liquides » et dont les propriétés avait été abondamment décrites. Cependant, on doit à Friedel la mise en évidence de propriétés physiques spéciales et très curieuses (optiques notamment), qui différencient les formes intermédiaires de la forme [[cristalline]] et de la forme [[amorphe]]. Georges Friedel a été le premier à comprendre l'existence de ces nouveaux états de la matière, séparés de l'état liquide et solide cristallin par des transitions de phases. Ce fut en 1921, avec L. Royer, que Friedel reprend ses travaux sur les liquides anisotropes. Il décrit sa découverte dans sa publication intitulé « Etats mésomorphes de la matière », aux annales de physique en 1922. Il y conclut à la modification structurelle et aux symétries différentes du matériau entre les différentes [[phases]].
Pour lui, la notion fondamentale est celle du caractère discontinu des transformations, dans lesquelles une substance passe d'une structure moléculaire à une autre. Ces formes sont dites mésomorphes.
« Ce qui caractérise les corps de Lehmann, ce n'est pas leur état plus ou moins fluide. Ce sont leurs structures, extrêmement particulières, d'un petit nombre, toujours les mêmes. Tout ce qui va suivre mettra en évidence, je l'espère, que les corps signalés par Lehmann constituent deux formes entièrement nouvelles de la matière, séparées sans aucune exception de la forme cristalline et de la forme amorphe (liquide isotrope) par des discontinuités, de même que la forme cristalline et la forme amorphe sont séparées entre elles, sans exception, par une discontinuité. »<ref name="EtatsMesomorphes">[[Georges Friedel]], ''Les états mésomorphes de la matière''. Annales de physique 18, S. 273–474, 1922</ref>
L'ordre moléculaire diffère d'une phase à l'autre pour un même corps, l'observation met en évidence les défauts de la structure. Dans les nématiques, ils apparaissent comme des fils qui nagent dans le cristal liquide. Les [[molécules]] sont orientées en moyenne parallèlement à une direction, sans qu'il y ait répartition en couches.
Dans les smectiques, ils prennent une étonnante géométrie de domaines focaux. Les molécules sont réparties en couches parallèles ; leur axe optique est normal au plan, et elles sont tournées d'un angle quelconque autour de cet axe. Si les cholestériques montrent des propriétés proches de celles des smectiques (coniques focales, couleurs chatoyantes), il les rapproche des nématiques tout en les distinguant. Dans les nématiques et les cholestériques, l'absence de diffraction aux [[rayons X]] montre que la distribution spatiale des molécules est quelconque. Mais ses expériences lui permettent d'interpréter les propriétés optiques des cholestériques comme étant dû à la dissymétrie des molécules sur leur axe ([[chiralité]]), ceci générant des défauts de torsion dans la substance<ref>[http://www.annales.org/archives/x/gfriedel.html « Georges Friedel »] biographie par F. Grandjean sur le site annales.org</ref>. Toutes ces interprétations remarquables sont nées de l'observation au microscope polarisant.
En référence aux défauts observés dans les fluides cristallins, il nomme cette phase « nématique » (du grec <math>\nu\epsilon\mu\alpha</math> « fil »). Les cristaux liquides étant structurellement semblables aux formes que prend le [[savon]] en [[solution]], cette [[phase]] est nommé « smectique » (du grec <math>\sigma\mu\epsilon\gamma\mu\alpha</math> « savon »).
« J'appellerai smectiques les formes, corps, phases, etc du premier type (une partie des Fliessende Kr., Schleimig flüssige Kr. De Lehmann ; liquides à coniques), parce que les savons, dans les conditions ordinaires de [[température]], sont de ce groupe, et que les oléates de potassium, en particulier, ont été les premiers corps de ce genre signalés. J'appellerai nématiques (nema, fil) les formes, phases, etc. du second type (Flüssige Kr., Tropfbar flüssige Kr. De Lehmann; liquides à fil) à cause de discontinuités linéaires, contournées comme des fils, qui sont leurs caractères saillants »<ref name="EtatsMesomorphes"/>.
La même [[espèce chimique]] peut présenter, dans des domaines de température différents, des [[phases]] cristalline [[solide]], smectique, nématique et [[liquide]] isotrope. Georges Friedel refusait le terme « cristaux liquides », il préférait « stases mésomorphes » ; mais le terme original est resté.
« Je désignerais sous ce nom (les états mésomorphes de la matière) les états particuliers que présentent les corps signalés par Lehmann à partir de 1889 sous le nom de cristaux liquides ou fluides cristallins. Sur la foi de ces dénominations, très malheureuses mais sans cesse répétées depuis trente ans, beaucoup de gens s'imaginent que les corps si curieux sur lesquels Lehmann a eu le grand mérite d'attirer l'attention, mais qu'il a eu tort de mal nommer, ne sont autre chose que des substances cristallisées, différant simplement de celle qui étaient antérieurement connues par leur degré plus ou moins grand de la fluidité. En fait, il s'agit de tout autre chose d'infiniment plus intéressant que ne seraient de simples cristaux plus ou moins fluides. »<ref name="EtatsMesomorphes"/>
Les travaux de Friedel et de ses collaborateurs ont permis de classifier le domaine des stases mésomorphes, et de les caractériser par leur [[structure]].
Pendant presque un siècle, des chercheurs travaillent sur les cristaux liquides, fondent les bases théoriques, élaborent des éléments pratiques mais ne trouvent pas d'applications. Il faudra attendre [[1968]] pour que George H. Heilmeier, un chercheur de la [[Radio Corporation of America|RCA]], mette au point le premier dispositif d'affichage à base de cristaux liquides et encore 5 ans pour que la mise au point d'une technologie stable, le [[Twisted nematic]], utilisant le [[biphényle]] permette la mise en vente du premier dispositif grand public, une montre par [[Seiko]].
=== Propriétés ===
Par exemple, un cristal liquide peut couler comme un liquide, mais les molécules ont un certain niveau d'ordre et sont orientées comme dans un cristal.
Il y a différentes phases des cristaux liquides, qui peuvent être distinguées par leurs propriétés optiques différentes (comme la [[biréfringence]]).
Vu dans un microscope sous lumière polarisée, un matériau à cristaux liquides semblera être composé de zones de texture distincte.
Chaque « zone » correspond à un domaine où les molécules sont orientées dans une direction différente.
Il y a deux grandes classes de cristaux liquides : '''thermotrope''' et '''lyotrope'''. Les thermotropes changent de phase en fonction de la température tandis que les lyotropes sont sensibles à la concentration et à la température.
== Applications ==
=== L'écran ACL ===
L'application la plus connue des cristaux liquides est l'[[écran à cristaux liquides]] mieux connu sous le sigle anglais « LCD ».
[[Image:Lcd layers.png|thumb|right|
Écran à cristaux liquides<ol>
<li>Filtre de polarisation (vertical)
<li>Verre avec électrodes correspondant au filtre vertical
<li>Cristaux liquides
<li>Verre avec électrodes correspondant au filtre horizontal
<li>Filtre horizontal pour bloquer/laisser passer la lumière
<li>Surface réfléchissante</li></ol>]]
La propriété de certains cristaux liquides de faire tourner le plan de [[Polarisation (optique)|polarisation]] de la [[lumière]] est exploitée dans les [[Écran à cristaux liquides|écrans ACL]].
L'écran ACL est constitué de deux polariseurs croisés dont les directions de polarisation forment un angle de 90° encadrant une couche de cristaux liquides : la lumière qui passe par le premier polariseur est bloquée par le second lorsque sa direction de polarisation n'est pas modifiée par les cristaux liquides.
=== Les thermomètres ===
La variation de l'angle de torsion de l'hélice en fonction de la température est utilisée par le thermomètre frontal à affichage digital.
=== Les vitrages ===
Ce sont des vitrages prenant en sandwich une couche de cristal liquide nématique sous forme de gouttelettes immobilisées dans un polymère entre deux plaques de verre recouvertes d'une couche métallique fine pour constituer un condensateur. Ce vitrage passe d'un état laiteux (comme une [[vitre]] dépolie), en l'absence de tension, à un état transparent (comme une vitre ordinaire) sous tension.
=== La cagoule pour soudure à l'arc ===
L'une des plus récentes applications apporte un grand confort aux [[Soudage|soudeurs]] à l'arc : l'assombrissement est réalisé de manière automatique par détection du niveau lumineux, en moins d'une milliseconde.
== Notes et références ==
<references />
== Liens internes ==
* [[Écran à cristaux liquides]]
* [[Thermochromie]]
== Liens externes ==
* Lien vers l'article de Otto Lehmann [http://www.personal.soton.ac.uk/tim/crystals_that_flow/lehmann1889.pdf en: Uber Fliessende Krystalle]
* Lien vers l'article de Georges Friedel [http://www.personal.soton.ac.uk/tim/crystals_that_flow/georges_friedel1922.pdf en: Etats mésomorphes de la matière]
* Les vitrages à transparence variable [http://www.sggprivalite.com/ SGG-Privalite®] de [[Saint-Gobain]].
* Les masques de soudage [http://www.kemper.fr/fr/ad_start.asp Autodark®] de Kemper.
{{Portail physique}}
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