La pression négative ne régit pas seulement l'Univers ou le vide quantique. Ce phénomène, bien que de nature différente, apparaît également dans les cristaux liquides confinés dans des nanopores. A l'Institut de Physique Nucléaire de l'Académie Polonaise des Sciences à Cracovie, une méthode a été présentée qui, pour la première fois, permet d'estimer la quantité de pression négative dans des systèmes à cristaux liquides spatialement limités.

A première vue, la pression négative apparaît comme un phénomène exotique. En réalité, c'est commun dans la nature, et ce qui est plus, se produit à plusieurs échelles. A l'échelle de l'univers, la constante cosmologique est responsable de l'accélération de l'expansion de l'espace-temps. Dans le monde des plantes, l'attraction des forces intermoléculaires garantit l'écoulement de l'eau jusqu'à la cime des arbres de plus de dix mètres de haut. A l'échelle quantique, la pression de particules virtuelles d'un faux vide conduit à la création d'une force d'attraction, apparaissant, par exemple, entre deux plaques métalliques parallèles (le fameux effet Casimir).

"Le fait qu'une pression négative apparaisse dans les cristaux liquides confinés dans des nanopores était déjà connu. Cependant, on ne savait pas mesurer cette pression. Bien que nous ne puissions pas non plus le faire directement, nous avons proposé une méthode qui permet d'estimer de manière fiable cette pression, " déclare le Dr Tomasz Rozwadowski de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences (IFJ PAN) à Cracovie, le premier auteur d'une publication dans le Journal des liquides moléculaires .

Les physiciens polonais ont étudié un cristal liquide connu sous le nom de 4CFPB, composé de molécules de 1,67 nm de long avec un diamètre moléculaire de 0,46 nm. Des expériences sans nanopores, dans des conditions de pression normales et élevées (jusqu'à environ 3000 atmosphères), ont été réalisées à l'Université de Silésie à Katowice. À son tour, des systèmes dans des membranes de silicium avec des nanopores non sécants d'un diamètre de 6 et 8 nanomètres ont été examinés à l'Université de Leipzig (Allemagne). La géométrie des nanopores signifiait qu'il n'y avait de place que pour quelques molécules de cristal liquide les unes à côté des autres, avec les grands axes positionnés le long des parois du canal.

Les expériences ont examiné les changements de divers paramètres du cristal liquide (y compris la dispersion et l'absorption diélectriques). Les mesures ont permis de conclure qu'une augmentation de la pression s'accompagnait d'un ralentissement de la mobilité moléculaire. Cependant, plus les canaux dans lesquels se trouvaient les molécules de cristal liquide dans les nanopores étaient étroits, plus ils allaient vite. Les données ont également montré que la densité des molécules de cristaux liquides augmentait avec l'augmentation de la pression tandis que dans les nanopores, elle diminuait. Il y avait aussi un changement dans les températures auxquelles le cristal liquide est passé de la phase liquide isotrope (avec des molécules disposées de manière chaotique dans l'espace) à la phase cristalline liquide la plus simple (nématique; les molécules sont toujours disposées de manière chaotique, mais ils positionnent leurs grands axes dans le même sens), puis à la phase solide vitreuse. Au fur et à mesure que la pression augmentait, les températures des transitions de phase ont augmenté. Dans les nanopores, ils ont diminué.

"Avec une pression croissante, tous les paramètres des cristaux liquides que nous avons examinés ont changé à l'inverse de la façon dont ils ont changé dans les nanopores de diamètre décroissant. Ceci suggère que les conditions dans les nanopores correspondent à une pression réduite. Puisque les molécules de cristaux liquides dans les canaux essaient d'étirer leurs parois, comme s'ils s'étendaient, on peut parler de pression négative, par rapport à la pression atmosphérique qui resserre les parois, " dit le Dr Rozwadowski.

Les changements observés dans les paramètres physiques ont permis pour la première fois d'estimer la valeur de la dépression apparaissant dans le cristal liquide remplissant les nanopores. Il s'est avéré que (en supposant que les changements soient linéaires), la pression négative dans les nanopores peut atteindre près de -200 atmosphères. C'est un ordre de grandeur supérieur à la pression négative responsable du transport de l'eau dans les arbres.

"Notre recherche est de nature fondamentale - elle fournit des informations sur la physique des phénomènes se produisant dans les cristaux liquides contraints dans des nanopores de diamètres variables. Cependant, les cristaux liquides ont de nombreuses applications, par exemple dans les affichages, optoélectronique, et médecine, ainsi, chaque nouvelle description du comportement de ces substances à l'échelle nanométrique dans des conditions spatiales aussi spécifiques peut être porteuse d'informations pratiques, " a souligné le Dr Rozwadowski.