Les mésophases ou cristaux liquides - publié le 24/03/2008

Résumé du document

L'état mésomorphe présente une organisation intermédiaire entre celle d'un solide monocristallin et celle d'un liquide. Les phases solides ont une périodicité tridimensionnelle stricte alors que, dans les liquides usuels, ni la direction des molécules ni la position de leur centre de gravité ne s'ordonnent.
L'état mésomorphe est obtenu à partir du réseau tridimensionnel par l'introduction graduelle de différents types de désordre.
Le désordre peut être soit dynamique – à la température considérée les molécules tournent ou se translatent rapidement selon certaines directions – soit statique. Dans ce dernier cas, les molécules sont distribuées statistiquement selon deux ou plusieurs positions non équivalentes sans qu'il y ait conversion des unes dans les autres.
Appelés cristaux liquides en 1889 par Lehmann, Friedel les nomme par la suite états mésomorphes afin d'éviter toute ambiguïté ou controverses inhérentes à un terme comme « cristaux liquides » ou « liquides cristallins », mais aussi afin d'indiquer explicitement que leur caractère est bien distinct entre une « structure périodique parfaitement ordonnée » des cristaux solides et la « structure parfaitement désordonnée » des amorphes.
Les termes cristaux liquides, états mésomorphes, mésophases seront employés indifféremment de manière synonymique. Les mésogènes, qui sont très souvent les molécules de surfactant, désignent les composés générant des mésophases.

Extraits

[...] Le désordre rotationnel dû à l'agitation thermique existe toujours. Les molécules ne possèdent aucun ordre de position : les centres de gravité sont distribués totalement aléatoirement. Néanmoins, une direction d'orientation privilégiée vers laquelle les molécules tendent à pointer est conservée : l'axe directeur. Les mésophases cholestériques Les cristaux liquides cholestériques ou nématiques chiraux sont typiquement composés de molécules mésogènes nématiques contenant un centre chiral qui génère des forces intermoléculaires favorisant l'alignement entre les molécules. Ceci conduit à la formation de structures qui peuvent être visualisées comme un empilement de couches nématiques bidimensionnelles de faible épaisseur où l'axe directeur d'une couche est tourné par rapport à la couche du dessus et du dessous. [...]

[...] Les translations axiales génèrent des états mésomorphes où il existe un axe directeur l'axe de glissement et où subsiste un ordre unidimensionnel. Il existe alors 7 groupes de symétrie à une dimension et donc 7 états mésomorphes. Enfin, pour les translations biaxiales, un désordre supplémentaire est introduit en combinant des processus de désordre translationnel selon deux axes distincts. On obtient ainsi un état mésomorphe où seule une direction d'orientation privilégiée est conservée, mais où la position des centres de gravité des différentes molécules n'appartient à aucune organisation périodique. [...]

[...] Les ruptures d'ordre rotationnel et translationnel sont donc presque toujours intimement mêlées. Finalement groupes d'espace à trois dimensions sont répertoriés. Les phases smectiques Résultantes de translations planaires, les phases smectiques (du grec smegma signifiant savon) présentent des plans périodiquement empilés les uns sur les autres, au sein desquels l'organisation des molécules est conservée. Cependant, il n'existe plus de relations simples entre la position de molécules appartenant à des plans différents. L'agitation thermique se manifeste au coeur d'une couche par une rupture de l'ordre de position à longue distance des centres de gravité des molécules ; au sein des plans, il ne subsiste que 17 façons différentes d'ordonner les molécules, conduisant à 17 états mésomorphes de symétrie différente. [...]

[...] Les mésophases formées par des amphiphiles peuvent être vues comme un arrangement d'unités multimoléculaires, appelées agrégats ou micelles, où les chaînes alkyles elles-mêmes se trouvent dans un état désordonné dit quasiliquide De nombreux amphiphiles peuvent former des mésophases, aussi bien à l'état pur qu'en présence de solvants. Phases lyotropes, thermotropes D'une façon générale, l'état mésomorphe est étroitement lié au caractère amphiphile des molécules de surfactant. Les matériaux mésomorphiques se répartissent en deux grandes catégories : - Les mésophases lyotropes : elles sont généralement constituées par des molécules assez longues (lipides, phospholipides, protéines . ) en solution dans un substrat liquide qui est, la plupart du temps, de l'eau. Il est possible d'induire des transitions de phase en modifiant la concentration des molécules dans le substrat. [...]

[...] Les mésophases ou cristaux liquides L'état mésomorphe présente une organisation intermédiaire entre celle d'un solide monocristallin et celle d'un liquide. Les phases solides ont une périodicité tridimensionnelle stricte alors que, dans les liquides usuels, ni la direction des molécules ni la position de leur centre de gravité ne s'ordonnent. L'état mésomorphe est obtenu à partir du réseau tridimensionnel par l'introduction graduelle de différents types de désordre. Le désordre peut être soit dynamique à la température considérée, les molécules tournent ou se translatent rapidement selon certaines directions soit statique. [...]