Les cristaux liquides subissent un type particulier de changement de phase. A une certaine température, leurs molécules en forme de cigare passent d'un fouillis désordonné à un arrangement plus ordonné dans lequel elles pointent toutes plus ou moins dans la même direction. Les téléviseurs LCD profitent de ce changement de phase pour projeter différentes couleurs dans les images en mouvement.

Pendant des années, cependant, les expériences ont fait allusion à un autre état de cristal liquide - un état intermédiaire entre les états désordonné et ordonné dans lequel l'ordre commence à émerger en taches discrètes à mesure qu'un système approche de sa température de transition. Maintenant, des chimistes de l'Université Brown ont démontré un cadre théorique pour détecter cet état intermédiaire et pour mieux comprendre son fonctionnement.

« Les gens comprennent très bien les comportements ordonnés et désordonnés, mais l'état où cette transition est sur le point de se produire n'est pas bien compris, " a déclaré Richard Stratt, professeur de chimie à Brown et co-auteur d'un article décrivant la recherche. "Ce que nous avons trouvé est une sorte de critère pour mesurer si un système est dans cet état. Cela nous donne une idée de ce qu'il faut rechercher en termes moléculaires pour voir si l'état est présent."

La recherche, publié dans le Journal de physique chimique , pourrait jeter un nouvel éclairage non seulement sur les cristaux liquides, mais aussi le mouvement moléculaire ailleurs dans la nature - des phénomènes tels que les enchevêtrements de protéines impliqués dans la maladie d'Alzheimer, par exemple. Les travaux ont été dirigés par Yan Zhao, un doctorat étudiant au laboratoire de Stratt qui espère obtenir son diplôme de Brown ce printemps.

Pour l'étude, les chercheurs ont utilisé des simulations informatiques des changements de phase dans un système à cristaux liquides simplifié comprenant quelques centaines de molécules. Ils ont utilisé la théorie des matrices aléatoires, un cadre statistique souvent utilisé pour décrire des systèmes complexes ou chaotiques, pour étudier les résultats de leur simulation. Ils ont montré que la théorie fait un bon travail pour décrire le système à la fois dans les états ordonnés et désordonnés, mais ne parvient pas à décrire l'état de transition. Cet écart par rapport à la théorie peut être utilisé comme une sonde pour identifier les régions du matériau où l'ordre commence à émerger.

"Une fois que vous vous rendez compte que vous avez cet état où la théorie ne fonctionne pas, vous pouvez creuser et demander ce qui s'est mal passé, " a déclaré Stratt. " Cela nous donne une meilleure idée de ce que font ces molécules. "

La théorie des matrices aléatoires prédit que les sommes des variables non corrélées - dans ce cas, les directions dans lesquelles pointent les molécules doivent former une distribution en cloche lorsqu'elles sont tracées sur un graphique. Stratt et Zhao ont montré que c'est vrai pour les molécules des cristaux liquides lorsqu'elles sont dans des états désordonnés et ordonnés. Dans l'état désordonné, la distribution en cloche est générée par les orientations entièrement aléatoires des molécules. Dans l'état ordonné, les molécules sont alignées selon un axe commun, mais ils s'en écartent chacun un peu, certains pointant un peu vers la gauche de l'axe et d'autres un peu vers la droite. Ces écarts aléatoires, comme les positions aléatoires des molécules dans l'état désordonné, pourrait être adapté à une courbe en cloche.

Mais cette distribution de courbe en cloche s'est effondrée juste avant le changement de phase, à mesure que la température du système chutait jusqu'à sa température de transition. Cela suggère que les molécules dans des zones discrètes du système devenaient corrélées les unes aux autres.

"Vous avez maintenant plusieurs ensembles de molécules qui commencent à coopérer les uns avec les autres, et qui provoque les écarts par rapport à la courbe en cloche, " a dit Stratt. " C'est comme si ces molécules anticipaient que cet état entièrement ordonné allait avoir lieu, mais ils n'ont pas encore tous décidé dans quelle direction ils vont faire face. C'est un peu comme la politique, où tout le monde s'accorde à dire que quelque chose doit changer, mais ils n'ont pas compris exactement quoi faire.

Stratt dit que le travail pourrait être utile pour donner un aperçu de ce qui régit l'efficacité du mouvement moléculaire. Dans les cristaux liquides ordonnés et désordonnés, les molécules sont libres de se déplacer relativement librement. Mais à l'état intermédiaire, ce mouvement est inhibé. Cet état représente alors une situation dans laquelle le progrès moléculaire commence à ralentir.

"Il y a beaucoup de problèmes en sciences naturelles où le mouvement des molécules est lent, " dit Stratt. " Les molécules dans le verre fondu, par exemple, ralentir progressivement au fur et à mesure que le liquide se refroidit. Les enchevêtrements de protéines impliqués dans la maladie d'Alzheimer sont un autre exemple où l'arrangement moléculaire ralentit le mouvement. Mais quelles règles régissent ces molécules lorsqu'elles ralentissent ? Nous ne le comprenons pas complètement."

Stratt espère qu'une meilleure compréhension du mouvement moléculaire lent dans les cristaux liquides pourrait fournir un modèle pour comprendre le mouvement lent ailleurs dans la nature.