Des chercheurs du Soft Materials Research Center (SMRC) de l'Université du Colorado à Boulder ont découvert une phase insaisissable de la matière, proposé pour la première fois il y a plus de 100 ans et recherché depuis.

L'équipe décrit la découverte de ce que les scientifiques appellent une phase « nématique ferroélectrique » des cristaux liquides dans une étude publiée aujourd'hui dans le Actes de l'Académie nationale des sciences . La découverte ouvre une porte sur un nouvel univers de matériaux, a déclaré le co-auteur Matt Glaser, professeur au Département de physique.

Les cristaux liquides nématiques sont un sujet brûlant dans la recherche sur les matériaux depuis les années 1970. Ces matériaux présentent un curieux mélange de comportements fluides et solides, qui leur permettent de contrôler la lumière. Les ingénieurs les ont largement utilisés pour fabriquer les écrans à cristaux liquides (LCD) de nombreux ordinateurs portables, Téléviseurs et téléphones portables.

Pensez aux cristaux liquides nématiques comme laisser tomber une poignée d'épingles sur une table. Les broches dans ce cas sont des molécules en forme de bâtonnets « polaires », avec des têtes (les extrémités émoussées) qui portent une charge positive et des queues (les extrémités pointues) qui sont chargées négativement. Dans un cristal liquide nématique traditionnel, la moitié des broches pointent vers la gauche et l'autre moitié pointant vers la droite, avec la direction choisie au hasard.

Une phase cristal liquide nématique ferroélectrique, cependant, est beaucoup plus discipliné. Dans un tel cristal liquide, des taches ou "domaines" se forment dans l'échantillon dans lequel les molécules pointent toutes dans la même direction, soit à droite, soit à gauche. Dans le jargon de la physique, ces matériaux ont un ordre polaire.

Noël Clark, professeur de physique et directeur du SMRC, a déclaré que la découverte par son équipe d'un de ces cristaux liquides pourrait ouvrir la voie à une multitude d'innovations technologiques, des nouveaux types d'écrans d'affichage à la mémoire d'ordinateur repensée.

"Il y en a 40, 000 articles de recherche sur les nématiques, et dans presque chacun d'entre eux, vous voyez de nouvelles possibilités intéressantes si le nématique avait été ferroélectrique, " dit Clark.

Sous le microscope

La découverte prend des années.

Les lauréats du prix Nobel Peter Debye et Max Born ont suggéré pour la première fois dans les années 1910 que, si vous avez correctement conçu un cristal liquide, ses molécules pourraient tomber spontanément dans un état polaire ordonné. Peu de temps après, les chercheurs ont commencé à découvrir des cristaux solides qui faisaient quelque chose de similaire :leurs molécules pointaient dans des directions uniformes. Ils pourraient aussi être inversés, basculer de droite à gauche ou vice versa sous un champ électrique appliqué. Ces cristaux solides ont été appelés "ferroélectriques" en raison de leurs similitudes avec les aimants. (Ferrum signifie en latin "fer").

Dans les décennies qui ont suivi, cependant, les scientifiques ont eu du mal à trouver une phase de cristal liquide qui se comportait de la même manière. C'est-à-dire, jusqu'à ce que Clark et ses collègues commencent à examiner le RM734, une molécule organique créée par un groupe de scientifiques britanniques il y a plusieurs années.

Ce même groupe britannique, plus une deuxième équipe de scientifiques slovènes, ont rapporté que le RM734 présentait une phase de cristal liquide nématique conventionnelle à des températures plus élevées. A des températures plus basses, une autre phase inhabituelle est apparue.

Lorsque l'équipe de Clark a essayé d'observer cette phase étrange au microscope, elle a remarqué quelque chose de nouveau. Sous un champ électrique faible, une palette de couleurs éclatantes développées vers les bords de la cellule contenant le cristal liquide.

"C'était comme brancher une ampoule à la tension pour la tester, mais trouver la prise et les fils de raccordement qui brillent beaucoup plus fort à la place, " dit Clark.

Des résultats époustouflants

Donc, que se passait-il?

Les chercheurs ont effectué plus de tests et ont découvert que cette phase de RM734 était de 100 à 1, 000 fois plus sensible aux champs électriques que les cristaux liquides nématiques habituels. Cela suggérait que les molécules qui composent le cristal liquide présentaient un ordre polaire fort.

"Quand les molécules pointent toutes vers la gauche, et ils voient tous un champ qui dit, 'aller à droite, ' la réponse est dramatique, " dit Clark.

L'équipe a également découvert que des domaines distincts semblaient se former spontanément dans le cristal liquide lorsqu'il se refroidissait à une température plus élevée. Il y avait, en d'autres termes, patchs au sein de leur échantillon dans lesquels les molécules semblaient être alignées.

"Cela a confirmé que cette phase était, En effet, un fluide nématique ferroélectrique, " dit Clark.

Cet alignement était également plus uniforme que ce à quoi l'équipe s'attendait.

"L'entropie règne dans un fluide, " a déclaré Joe MacLennan, co-auteur de l'étude et professeur de physique à CU Boulder. « Tout bouge, donc on s'attendait à beaucoup de désordre."

Lorsque les chercheurs ont examiné à quel point les molécules étaient bien alignées à l'intérieur d'un seul domaine, "nous avons été stupéfaits par le résultat, " a déclaré MacLennan. Les molécules pointaient presque toutes dans la même direction.

Le prochain objectif de l'équipe est de découvrir comment le RM734 réalise cet exploit rare. Glaser et chercheur SMRC Dmitry Bedrov de l'Université de l'Utah, utilisent actuellement la simulation informatique pour aborder cette question.

"Ce travail suggère qu'il existe d'autres fluides ferroélectriques cachés à la vue, " a déclaré Clark. " Il est passionnant qu'en ce moment des techniques comme l'intelligence artificielle émergent qui permettront une recherche efficace pour eux. "