Un cristal-liquide minéral s’oriente sous champ magnétique : des applications en perspective

juillet 1998

 
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Si des milliers d'exemples de cristaux liquides organiques peuvent être aujourd'hui recensés, il en va autrement des cristaux liquides d'origine minérale qui sont très peu nombreux. Des physiciens et des chimistes du CNRS et de l'Université Paris 6 (1) ont montré que les suspensions aqueuses (fluides ou gels) de rubans de pentoxyde de vanadium (V2O5), pourtant découvertes il y a plus d'un siècle, constituaient l'un des très rares exemples de cristaux liquides minéraux. Ce composé courant est déjà employé, sous forme de films minces, comme couche anti-statique dans l'industrie photographique, comme film électrochrome pour les dispositifs d'affichage ou encore comme cathode pour les batteries au lithium. Sa synthèse peut se faire par une technique récente de chimie douce, c'est-à-dire de manière économique : polymérisation dans l'eau et à température ambiante. En exploitant les caractéristiques particulières de ces suspensions cristal-liquides (anisotropie et fluidité), les chercheurs ont pu aligner les rubans de V2O5 sous l'effet d'un champ magnétique modéré. La qualité des films solides déposés à partir de ces suspensions devrait donc être améliorée par le maintien du champ magnétique pendant le séchage de ces films, ouvrant ainsi la voie à la fabrication de nouveaux matériaux aux propriétés inédites. On peut ainsi envisager des applications, à coût réduit, dans le domaine de l'électronique moléculaire, des communications optiques, des matériaux composites et de l'affichage.

Les cristaux liquides sont des phases intermédiaires entre l’état cristallin et l’état liquide. Ils sont anisotropes comme les cristaux (leurs propriétés dépendent fortement de la direction considérée) tout en étant fluides comme les liquides. On peut observer ces phases, soit lors de la fusion d’un corps pur sous l’action de la température, soit en mélangeant certaines substances avec un solvant. De nos jours, on a recensé plusieurs milliers de cristaux liquides, pratiquement tous de nature organique. Les rares exemples de cristaux liquides minéraux peuvent se compter sur les doigts de la main ! Leurs composants sont des objets anisotropes, en forme de bâtons, de disques ou de rubans. En suspension dans un solvant, ils ont une taille colloïdale : 10 à 100 nm. Par exemple, les gels de fils moléculaires de Li2Mo6Se6 dans un solvant organique ont été étudiés dès 1993 par des chercheurs du CNRS à Orsay. Il s’agit d’une collaboration exemplaire de physiciens avec l’équipe de chimistes de Patrick Batail (maintenant à l’Institut des matériaux de Nantes, IMN, CNRS-Université de Nantes).

Les mêmes physiciens d’Orsay, associés cette fois à un groupe de chimistes de l'Université Paris 6 (1), se sont intéressés ensuite aux gels de pentoxyde de vanadium, V2O5, qui constituent un exemple typique de matériau synthétisé par les méthodes de la chimie douce. Celle-ci permet d’obtenir aisément des matériaux d’un nouveau type, avec des moyens économiques. Les rubans d'oxyde de vanadium sont en effet obtenus par polymérisation de monomères de vanadium dans l'eau, à faible concentration (99 % d’eau), et à température ambiante (ce qui permet des économies d’énergie). Il s’agit là d’une amélioration par rapport aux synthèses délicates des molécules organiques, surtout en vue des applications. Semi-flexibles, les rubans font 1 nm d’épaisseur, et environ 20 nm de large et 300 nm de long.

Récemment, ces chercheurs ont pu démontrer, au moyen d'expériences de diffusion des rayons X et de microscopie optique, que ces gels de V2O5 constituent un cristal liquide nématique*, c’est-à-dire en même temps fluide et anisotrope. Dans la phase nématique, les rubans ne sont pas astreints à rester en place au sein de la suspension, mais ils doivent garder la même orientation.Toutefois, des défauts caractéristiques peuvent perturber l’orientation des rubans (fig.1).

L’une des conséquences de la fluidité de la phase nématique est qu’elle peut être très fortement perturbée par de petites sollicitations extérieures. Par exemple, l’application d’un champ magnétique modéré, de l’ordre de 0,3 Tesla (à peine plus que le champ d’un aimant de porte de placard) suffit à aligner les rubans minéraux dans la direction du champ. Cela se traduit par la disparition de tous les défauts (fig. 2). Il est donc possible de faire tourner à volonté et à distance ces rubans. Il est à noter que l’aimantation globale de ce matériau est extrêmement faible (comparable à celle de l’eau). L’orientation résulte donc du caractère coopératif de la phase cristal-liquide. En revanche, la phase liquide ordinaire de ces suspensions ne présente pas un tel effet.

Un changement brusque de la direction du champ magnétique crée une instabilité qui se traduit par une texture en domaines de type « zigzag » (fig. 3). Il est ainsi possible de moduler l’orientation des rubans à l’échelle de la largeur de ces domaines, c'est-à-dire environ dix micromètres. Ce phénomène pourrait permettre de fabriquer, avec une économie de moyens remarquable, des réseaux microstructurés susceptibles de posséder des propriétés électromagnétiques intéressantes.

L'intercalation de molécules organiques au sein des films déposés à partir des gels de V2O5 permet d’obtenir des composés « sandwichs » à l'échelle nanométrique, formés de couches semi-conductrices alternativement organiques et minérales. L’utilisation d’un champ magnétique pourra sans doute améliorer la qualité de ces films, ouvrant ainsi la voie à la fabrication de nouveaux matériaux aux propriétés inédites, de même qu’à des applications plus économiques dans le domaine de l’électronique moléculaire, des communications optiques, de l’affichage, par exemple.



1 ) - Laboratoire de physique des solides (CNRS-Université Paris 11) à Orsay ;

- Laboratoire « Matériaux inorganiques » (CNRS-Université Paris 6) ;

- Laboratoire pour l’utilisation du rayonnement électromagnétique -LURE- (CNRS-CEA-ministère de l’Education nationale, de la Recherche et de la Technologie) à Orsay.



* Dès 1920, l’allemand H. Zocher avait suggéré que ces gels de V2O5 pourraient constituer un cristal liquide nématique.
 
 

Référence     

 
 
- X. Commeinhes, P. Davidson, C. Bourgaux, J. Livage, Advanced Materials, 9 (1997) 900.