Menant une double vie en tant que solides et liquides, les cristaux liquides occupent le devant de la scène pour créer de plus petits, technologies plus rapides et plus efficaces. Même au niveau des particules simples, les cristaux liquides peuvent courber la lumière et réagir aux forces externes, comme des champs électriques ou des poussées et des tractions physiques. Et donc, une infime quantité de cristaux liquides est généralement suffisante pour atteindre des performances élevées dans de nombreuses applications, allant des écrans de moniteur aux panneaux solaires.

Mais afin d'exploiter pleinement les propriétés merveilleuses d'un cristal liquide, ses particules constitutives doivent être systématiquement assemblées.

Dans une nouvelle étude, Des chercheurs de la Texas A&M University ont découvert que l'application d'une petite différence de température à un mélange dilué d'un composé appelé phosphate de zirconium initie sa cristallisation liquide. À mesure que les particules de phosphate de zirconium se déplacent vers des températures plus chaudes, ils commencent à s'aligner les uns sur les autres et finissent par se transformer en cristaux liquides purs, les chercheurs ont dit.

« La nôtre est la première étude de validation de principe à montrer que le gradient de température est un moyen efficace, pourtant simple, outil pour assembler des cristaux liquides de haute qualité, " a déclaré le Dr Zhengdong Cheng, professeur au département de génie chimique Artie McFerrin. "Aussi, nos résultats indiquent que nous pouvons déplacer les cristaux liquides en faisant simplement varier la température, une propriété qui peut potentiellement être utilisée pour transporter des particules de cristaux liquides d'un endroit à un autre, ouvrant ainsi la voie à des applications au-delà de celles qui sont couramment associées aux cristaux liquides aujourd'hui."

Les chercheurs ont rendu compte de leurs découvertes dans le numéro d'octobre de la revue ACS Nano .

Les cristaux liquides représentent un état de la matière qui se situe quelque part entre les solides et les liquides. Comme les molécules dans les solides qui forment des cristaux, ceux en cristaux liquides sont disposés de façon semi-systématique, comme des voitures dans un parking partiellement plein. Mais les cristaux liquides sont également liquides et peuvent prendre n'importe quelle forme comme des liquides. Par ailleurs, dans leur avatar à cristaux liquides, les matériaux présentent souvent des propriétés exotiques. Par exemple, ils divisent les faisceaux lumineux ou modifient leurs alignements moléculaires en réponse aux champs électriques.

Mais le fait qu'un matériau puisse ou non adopter un état de cristal liquide dépend de la forme globale de ses particules constitutives. Les substances constituées de particules sphériques ne forment pas de cristaux liquides. D'autre part, les matériaux constitués de particules allongées comme des tiges ou plates comme des disques forment des cristaux liquides. Cheng et son équipe se sont particulièrement intéressés au phosphate de zirconium car ses particules en forme de disque ont la capacité de s'auto-assembler en plus gros, structures planes 2-D dans leur état cristallin liquide.

"Beaucoup de particules trouvées dans la nature, comme les globules rouges, nucléosomes et particules d'argile, sont en forme de disque et dans les bonnes circonstances, ils peuvent s'auto-assembler en cristaux liquides, " dit Cheng. " Alors, nous avons utilisé le phosphate de zirconium comme proxy pour rechercher s'il existe un moyen de contrôler expérimentalement la cristallisation liquide de ces particules. »

Il a été démontré que le phosphate de zirconium s'assemble en cristaux liquides de lui-même si des quantités suffisantes sont ajoutées à l'eau. Mais les cristaux liquides résultants présentent souvent des défauts et sont instables. Donc, Cheng et son équipe ont proposé une approche alternative.

Cheng avait montré précédemment que l'application d'une différence de température pouvait amener des particules sphériques à s'assembler en amas de cristaux. En utilisant le même principe, son équipe a étudié si des températures variables pouvaient être utilisées pour assembler le phosphate de zirconium en cristaux liquides.

Pour leurs expériences, l'équipe Texas A&M a fait un mélange de phosphate de zirconium et d'eau et l'a rempli dans une couche mince, tubes de deux pouces de long, en s'assurant que la quantité de phosphate de zirconium était suffisamment faible pour ne pas déclencher une cristallisation liquide automatique. Prochain, ils ont appliqué de la chaleur de telle manière que la différence de température entre les deux extrémités du tube était d'environ 10 degrés.

En une heure, Cheng et son équipe ont découvert que les particules de phosphate de zirconium dans l'extrémité la plus froide du tube ont commencé à se faufiler vers l'extrémité la plus chaude, déclencher la cristallisation liquide à partir de l'extrémité la plus chaude du tube.

"Tout comme l'eau dans une marmite bouillante circule du bas où elle est chaude vers le haut du récipient où il fait froid, l'eau dans nos tubes circulait également des températures les plus chaudes aux plus froides, " a déclaré Dali Huang, étudiant diplômé du Texas A&M College of Engineering et auteur principal de l'étude. "Par conséquent, les particules de phosphate de zirconium se sont également déplacées dans le sens de l'écoulement de l'eau et se sont arrangées en cristaux liquides. "Les chercheurs ont émis l'hypothèse que la poussée de l'eau qui coule aide les particules de phosphate de zirconium à se positionner systématiquement jusqu'à ce qu'elles forment des cristaux liquides. De plus, ils ont constaté que les cristaux liquides créés avec des gradients de température étaient moins défectueux que ceux formés par d'autres méthodes.

Cheng a noté que leurs découvertes ouvrent de nouvelles portes pour une utilisation dans une variété de contextes.

« De par leur forme, les particules en forme de disque ont une surface plus grande par rapport à leur volume, " a déclaré Cheng. " Si nous pensons à la prochaine génération de dispositifs biomédicaux, par exemple, nous pouvons potentiellement tirer parti de cette géométrie pour charger des particules médicinales sur leurs surfaces planes, puis faire varier la température pour les transporter vers une partie spécifique du corps."