Les cristaux liquides sont utilisés dans tout, des petites montres numériques aux immenses écrans de télévision, des dispositifs optiques aux détecteurs biomédicaux. Pourtant, on sait peu de choses sur leur structure moléculaire précise lorsque des portions de ces cristaux interagissent avec l'air.

Nouvelle recherche dirigée par Juan de Pablo, le professeur de la famille Liew à l'Institut de génie moléculaire, découvre des caractéristiques auparavant inconnues qui se développent à partir de l'interface entre l'air et certains cristaux liquides largement étudiés.

"Les cristaux liquides sont des rapporteurs haute fidélité d'événements moléculaires, et leur efficacité repose sur le contrôle de leur orientation moléculaire à une interface, " a déclaré de Pablo. " La compréhension précise de cette interface acquise grâce à nos recherches permettra la conception de meilleurs capteurs et affichages à cristaux liquides. "

Pour la recherche publiée le 8 février dans le Journal de l'American Chemical Society , de Pablo a travaillé avec une équipe de scientifiques de l'Université de Chicago, dont Binhua Lin et Benoit Roux, et à l'Université de l'Illinois à Chicago et à l'Université du Wisconsin. Ils ont utilisé des rayons X synchrotron avancés au Laboratoire national d'Argonne et des simulations à grande échelle pour reconstruire les détails moléculaires.

Les cristaux liquides existent dans un état entre les liquides et les solides, leur permettant de s'écouler comme un liquide mais ont également certaines propriétés d'un solide. Leurs molécules ont une structure en forme de tige qui peut être organisée de diverses manières. Certains cristaux liquides subissent des transitions de phase en réponse aux changements de température. Dans la phase nématique, les molécules en forme de bâtonnets s'alignent de manière désordonnée mais parallèle. Dans la phase smectique, ils s'alignent également en parallèle, mais en couches organisées.

"Notre recherche a révélé un certain nombre de caractéristiques jusqu'alors inconnues, " dit de Pablo. " Par exemple, nos résultats indiquent que l'interface imprime un ordre hautement ordonné, structure de type solide dans le matériau à cristaux liquides. Cette structure se propage alors bien dans la masse du cristal liquide, en particulier pour les phases nématiques et smectiques."

La recherche a trouvé des caractéristiques similaires entre les cristaux liquides largement étudiés nématiques 4-pentyl-4'-cyanobiphényle et smectique 4-octyl-4'-cyanobiphényle. Les deux s'alignent perpendiculairement à l'interface air-cristaux liquides et présentent des propriétés bien définies, couches induites par la surface à l'interface. Lorsque les deux ont été chauffés à une phase entièrement liquide, seule une seule couche de molécules structurées s'est formée à l'interface entre le liquide et l'air.

Les chercheurs prévoient d'étudier les interfaces des cristaux liquides et des électrolytes aqueux pour comprendre les effets des interactions électrostatiques et l'ordre orientationnel des cristaux liquides.

"Ces résultats seront particulièrement importants pour guider la conception d'interfaces à cristaux liquides réactives pour la détection de produits chimiques et de molécules biologiques, " conclut le journal.