Les cristaux liquides sont largement utilisés dans des technologies telles que les écrans, qui manipulent leur orientation pour afficher les couleurs à travers le spectre.

Dans les présentoirs traditionnels, les cristaux liquides sont stationnaires et uniformes, exempt de défauts. Mais cette immobilité peut être altérée en ajoutant des bactéries aux cristaux, créant ce que les scientifiques et les ingénieurs appellent des « cristaux liquides vivants » :des matériaux qui peuvent agir de manière autonome. Alors que les bactéries nagent autour des cristaux liquides, ils génèrent des "défauts" qui peuvent être utilisés à des fins d'ingénierie.

Des chercheurs de la Pritzker School of Molecular Engineering de l'Université de Chicago, avec des collègues du laboratoire national Argonne affilié à UChicago, ont montré comment ce matériau devient actif et désordonné à travers ce processus, créer des motifs floraux à partir des instabilités de flexion qui conduisent finalement à la création de défauts. Mais les résultats ne sont pas seulement esthétiques :ils constituent une étape importante vers la compréhension de la manière de contrôler en fin de compte ce matériau pour les technologies émergentes qui reposent sur la formation de défauts.

« La genèse de ces instabilités a fait l'objet de nombreux débats, et maintenant nous comprenons vraiment comment ce processus fonctionne, qui conduira in fine à contrôler le comportement de ce matériau, " dit Juan de Pablo, le professeur de la famille Liew en génie moléculaire et co-auteur de la recherche, récemment publié dans la revue Examen physique X .

Comprendre la formation de motifs

Les cristaux liquides vivants sont un exemple de matériaux qui peuvent agir seuls. Dans la nature, ces matériaux sont responsables de la motilité des cellules. Les protéines à l'intérieur des cellules « marchent » le long de la surface des molécules de polymère et exercent une force qui provoque le déplacement et le mouvement.

« Ces matériaux suscitent beaucoup d'intérêt car ils sont complexes, beau et pertinent, " dit de Pablo, vice-président des laboratoires nationaux. "Mais nous voulons comprendre à quel point le mouvement et le transport sont générés en leur sein."

Dans le laboratoire, une façon de créer un matériau autonome comme celui-ci est de combiner un cristal liquide avec des bactéries, qui provoquent alors un désordre parmi les cristaux liquides lorsqu'ils se déplacent.

Pour étudier comment le matériau devient actif, les chercheurs ont combiné des bactéries nageuses avec un cristal liquide sous deux formats :près de la surface inférieure d'une goutte suspendue à une aiguille fixée à une lame de verre, et dans un mince, film autoportant.

Bien que les bactéries et les cristaux liquides aient été initialement alignés à travers un champ magnétique, quand le champ a été éteint, les bactéries ont commencé à se déplacer d'elles-mêmes, ce qui entraîne des « instabilités de pliage ». Ces instabilités ressemblaient à des pétales sur une fleur ou à des branches rayonnant d'un arbre. Le nombre de branches était contrôlé par l'activité de la bactérie.

« Les instabilités sont devenues de plus en plus importantes au fil du temps, jusqu'à ce que le système finisse par devenir complètement désordonné, " dit de Pablo.

Grâce à ces expériences et simulations informatiques, les chercheurs ont découvert comment ces instabilités se forment à travers la déformation et la géométrie, et a donc développé une méthode pour créer et positionner les instabilités de pliage.

Contrôler les cristaux pour les technologies futures

Les chercheurs espèrent utiliser ces informations pour pouvoir contrôler totalement ces cristaux liquides vivants. Cela leur permettrait à terme de créer un nouveau type de dispositif microfluidique qui transporte des fluides de manière autonome sans pompe ni pression, ou pour créer des systèmes synthétiques qui ressemblent à des cellules et qui pourraient se déplacer de manière autonome d'un endroit à un autre.

« Nous avons une réelle possibilité de maîtriser ces matériaux et de les utiliser pour de nouvelles technologies intéressantes, " dit de Pablo.