Dans les cristaux liquides, les molécules s'arrangent automatiquement de façon ordonnée. Des chercheurs de l'Université du Luxembourg ont découvert une méthode qui permet un état anti-ordonné, qui permettra de nouvelles propriétés des matériaux et potentiellement de nouvelles applications techniques, tels que les muscles artificiels pour la robotique douce. Ils ont publié leurs découvertes dans la revue scientifique Avancées scientifiques .

L'équipe de recherche du Prof. Jan Lagerwall à l'Université du Luxembourg étudie les caractéristiques des cristaux liquides, qui peuvent être trouvés dans de nombreux domaines allant des membranes cellulaires du corps aux écrans de nombreux appareils électroniques. Le matériau combine une mobilité et une flexibilité semblables à celles d'un liquide et un ordre à longue distance de ses molécules ; ce dernier est par ailleurs une caractéristique typique des cristaux solides. Cela donne lieu à des propriétés remarquables qui rendent les cristaux liquides si polyvalents qu'ils sont choisis pour remplir des fonctions vitales par la nature et par des entreprises milliardaires.

De nombreuses propriétés d'un matériau dépendent de la manière dont ses molécules sont disposées. Depuis la fin des années 30, les physiciens utilisent un modèle mathématique pour décrire l'ordre moléculaire des cristaux liquides. Le paramètre d'ordre attribue un nombre qui indique à quel point les molécules sont bien ordonnées. Ce modèle utilise une plage positive pour décrire les cristaux liquides auxquels nous sommes habitués. Il peut également attribuer une plage négative qui décrit un état "anti-ordonné", où les molécules éviteraient une certaine direction plutôt que de s'aligner le long de celle-ci.

Jusque là, cette fourchette négative restait strictement hypothétique, car aucun cristal liquide n'a développé un état anti-ordonné dans la pratique. Les théories standard pour les cristaux liquides suggèrent qu'un tel état est possible, mais ne serait pas stable. "Vous pouvez comparer cela à une diapositive qui a une très légère bosse au milieu. Vous pouvez ralentir lorsque vous atteignez la bosse, dans notre cas l'état anti-ordonné instable, mais pas assez pour que tu arrêtes, et donc tu descendras jusqu'à l'état stable, le minimum énergétique global, où vous vous retrouvez inévitablement avec un ordre positif. Si tu parvenais à arrêter le trajet à la bosse, une fourchette négative serait possible, " explique Jan Lagerwall.

C'est exactement ce que V.S.R. Jampani, l'auteur principal de l'article, et collègues ont atteint pour la première fois dans leur étude. "L'astuce pour empêcher le système d'atteindre le minimum d'énergie global est de le polymériser doucement en un réseau faiblement connecté pendant qu'il est dissous dans un solvant liquide normal, " explique le Dr Jampani. " Ce réseau est ensuite étiré dans toutes les directions à l'intérieur d'un plan, ou comprimé selon une seule direction perpendiculaire au plan, de telle sorte que les molécules formant le réseau s'alignent dans le plan, mais sans direction particulière dans ce plan." Au fur et à mesure que le solvant est évaporé, la phase cristalline liquide se forme et, en raison de l'étirement particulier dans le plan du réseau, il est obligé d'adopter l'état de paramètre d'ordre négatif où les molécules évitent la direction de la normale au plan. "Ce cristal liquide n'a d'autre choix que de se contenter du minimum d'énergie secondaire, le minimum énergétique global étant rendu inaccessible par le réseau, " ajoute Lagerwall.

Lorsque le réseau est renforcé par un deuxième cycle de polymérisation, le comportement en fonction de la température peut être étudié. "Les réseaux de cristaux liquides sont fascinants pour les paramètres d'ordre aussi bien positifs que négatifs, car l'ordonnancement - ou l'anti-ordre - en combinaison avec le réseau polymère lui permet de changer spontanément de forme en réponse aux changements de température. Le réseau cristal liquide est en effet un caoutchouc qui s'étire ou se détend tout seul, sans que personne n'applique une force, " dit le professeur Lagerwall.

Il s'avère que le comportement du caoutchouc à cristaux liquides à paramètre d'ordre négatif est exactement opposé à celui des caoutchoucs à cristaux liquides normaux. "Optiquement, lorsqu'un caoutchouc à cristaux liquides normal montre une certaine couleur entre les polariseurs croisés, la version de paramètre d'ordre négatif montre la couleur complémentaire. Mécaniquement, lorsqu'un caoutchouc à cristaux liquides normal se contracte dans une direction et se dilate dans le plan qui lui est perpendiculaire, le caoutchouc de paramètre d'ordre négatif se dilate le long de la première direction et se rétrécit dans le plan perpendiculaire, " explique Lagerwall.

Les chercheurs ont créé leurs caoutchoucs à cristaux liquides à paramètres d'ordre négatif sous la forme d'enveloppes sphériques de la taille d'un millimètre, qu'ils ont ensuite découpés en petits morceaux de formes variées. Selon la façon dont la coupe a été faite, une variété de comportements de changement de forme pourrait être réalisée, montrant que le système peut fonctionner comme un « actionneur doux, " effectivement un muscle artificiel. Parce que les caoutchoucs à cristaux liquides d'ordre négatif et positif agissent de manière opposée, cela ouvre des voies intéressantes pour combiner les deux, pour faire un actionneur composite plus efficace, par exemple pour la robotique douce. Lorsque l'actionneur d'ordre positif répond lentement, celui d'ordre négatif agit rapidement, et vice versa. Du point de vue de la physique fondamentale, l'existence physique du seul état de cristal liquide anti-ordonné théoriquement prédit auparavant ouvre la voie à de nombreuses expériences intéressantes ainsi qu'au développement théorique du comportement de la matière molle auto-organisée.