Les cristaux monocliniques solides comme le gypse sont constitués d'atomes disposés en forme de colonne inclinée, ce que les scientifiques appellent un état « à faible symétrie ». Crédits :Pixabay
Une équipe de l'Université du Colorado à Boulder a conçu de nouveaux types de cristaux liquides qui reflètent les structures complexes de certains cristaux solides - un grand pas en avant dans la construction de matériaux fluides qui peuvent correspondre à la diversité colorée des formes observées dans les minéraux et les pierres précieuses. de la lazulite à la topaze.
Les conclusions du groupe, publié aujourd'hui dans la revue La nature , pourrait un jour conduire à de nouveaux types de fenêtres intelligentes et d'écrans de télévision ou d'ordinateur qui peuvent plier et contrôler la lumière comme jamais auparavant.
Les résultats se résument à une propriété des cristaux solides qui sera familière à de nombreux chimistes et gemmologues :la symétrie.
Ivan Smalyukh, professeur au département de physique de CU Boulder, a expliqué que les scientifiques classent tous les cristaux connus en sept classes principales, ainsi que de nombreuses autres sous-classes, en partie basées sur les "opérations de symétrie" de leurs atomes internes. En d'autres termes, de combien de façons pouvez-vous coller un miroir imaginaire à l'intérieur d'un cristal ou le faire pivoter et voir toujours la même structure ? Considérez ce système de classification comme les 32 saveurs de Baskin-Robbins, mais pour les minéraux.
À ce jour, cependant, les scientifiques n'ont pas été en mesure de créer des cristaux liquides - des matériaux fluides que l'on trouve dans la plupart des technologies d'affichage modernes - qui se présentent dans ces mêmes nombreuses saveurs.
"Nous savons tout sur toutes les symétries possibles des cristaux solides que nous pouvons fabriquer. Il y en a 230, " dit Smalyukh, auteur principal de la nouvelle étude qui est également membre du Renewable and Sustainable Energy Institute (RASEI) à CU Boulder. "En ce qui concerne les cristaux liquides nématiques, le genre dans la plupart des écrans, nous n'en avons que quelques-uns qui ont été démontrés jusqu'à présent."
C'est-à-dire, jusqu'à maintenant.
Dans leurs dernières découvertes, Smalyukh et ses collègues ont trouvé un moyen de concevoir les premiers cristaux liquides qui ressemblent à des cristaux monocliniques et orthorhombiques, deux de ces sept classes principales de cristaux solides. Les résultats, il a dit, mettre un peu plus d'ordre dans le monde chaotique des fluides.
"Il y a beaucoup de types possibles de cristaux liquides, mais, jusque là, très peu ont été découverts, " Smalyukh a déclaré. "C'est une excellente nouvelle pour les étudiants car il y a beaucoup plus à trouver."
Une traditionnelle, cristal liquide "nématique" vu au microscope. Crédit :Smalyukh Lab
La symétrie en action
Pour comprendre la symétrie dans les cristaux, imaginez d'abord votre corps. Si vous placez un miroir géant au milieu de votre visage, vous verrez un reflet qui ressemble (plus ou moins) à la même personne.
Les cristaux solides ont des propriétés similaires. Cristaux cubiques, qui comprennent les diamants et la pyrite, par exemple, sont constitués d'atomes disposés en forme de cube parfait. Ils ont beaucoup d'opérations de symétrie.
"Si vous faites pivoter ces cristaux de 90 ou 180 degrés autour de nombreux axes spéciaux, par exemple, tous les atomes restent aux bons endroits, " a déclaré Smalyukh.
Mais il existe d'autres types de cristaux, trop. Les atomes à l'intérieur des cristaux monocliniques, qui comprennent le gypse ou la lazulite, sont disposés dans une forme qui ressemble à une colonne inclinée. Retournez ou faites pivoter ces cristaux tout ce que vous voulez, et ils n'ont toujours que deux symétries distinctes :un plan miroir et un axe de rotation à 180 degrés, ou la symétrie que vous pouvez voir en faisant tourner un cristal autour d'un axe et en remarquant qu'il se ressemble tous les 180 degrés. Les scientifiques appellent cela un état « à faible symétrie ».
Cristaux liquides traditionnels, cependant, n'affichez pas ce genre de structures complexes. Les cristaux liquides les plus courants, par exemple, sont constitués de minuscules molécules en forme de bâtonnets. Sous le microscope, ils ont tendance à s'aligner comme des nouilles de pâtes sèches jetées dans une casserole, dit Smalyukh.
« Quand les choses peuvent couler, elles ne présentent généralement pas de symétries aussi faibles, " a déclaré Smalyukh.
Un graphique montrant l'arrangement des molécules en forme de disque dans un cristal liquide monoclinique avec deux symétries. Crédits :Smalyukh Lab
Commande en liquides
Lui et ses collègues voulaient voir s'ils pouvaient changer cela. Pour commencer, l'équipe a mélangé deux types différents de cristaux liquides. La première était la classe commune composée de molécules en forme de bâtonnets. La seconde était constituée de particules en forme de disques ultra-minces.
Lorsque les chercheurs les ont réunis, ils ont remarqué quelque chose d'étrange :dans les bonnes conditions de laboratoire, ces deux types de cristaux se poussaient et se pressaient l'un l'autre, changer leur orientation et leur disposition. Le résultat final était un fluide à cristaux liquides nématiques avec une symétrie qui ressemble beaucoup à celle d'un cristal monoclinique solide. Les molécules à l'intérieur présentaient une certaine symétrie, mais un seul plan miroir et un seul axe de rotation à 180 degrés.
Le groupe avait créé, en d'autres termes, un matériau avec les propriétés mathématiques d'un cristal de lazulite ou de gypse, mais le leur pourrait s'écouler comme un fluide.
« Nous posons une question très fondamentale :comment pouvez-vous combiner l'ordre et la fluidité dans un seul matériau ? » dit Smalyukh.
Et, les créations de l'équipe sont dynamiques :si vous chauffez ou refroidissez les cristaux liquides, par exemple, vous pouvez les transformer en un arc-en-ciel de différentes structures, chacun avec ses propres propriétés, dit Haridas Mundoor, auteur principal du nouveau document. C'est assez pratique pour les ingénieurs.
"Cela offre différentes pistes qui peuvent modifier les technologies d'affichage, ce qui peut améliorer l'efficacité énergétique des performances d'appareils tels que les téléphones intelligents, " dit Mundoor, un associé de recherche postdoctoral à CU Boulder.
Lui et ses collègues sont encore loin de fabriquer des cristaux liquides capables de reproduire le spectre complet des cristaux solides. Mais le nouveau journal les rapproche plus que jamais – une bonne nouvelle pour les fans de choses brillantes du monde entier.
