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FP7

FREEFLUID Résultat en bref

Project ID: 304040
Financé au titre de: FP7-PEOPLE
Pays: Slovénie

Des fluides de matière souple nanostructurée

Grâce à la lumière, au confinement et aux champs externes, il est maintenant possible de mouler différents matériaux souples dans des topologies inhabituelles. Des physiciens financés par l'UE et leurs collaborateurs ont récemment généré des formes à partir des mathématiques, comme des profils d'écoulement complexes, des nœuds et des pavages complexes.
Des fluides de matière souple nanostructurée
Les matériaux souples, y compris les polymères, les cristaux liquides et colloïdes nématiques, sont des candidats prometteurs pour la nanotechnologie de bas en haut. Beaucoup d'entre eux s'auto-assemblent pour former des micro- et nanostructures avec un agencement et une périodicité spécifiques. Ces matériaux peuvent présenter des topologies qui vont au-delà des formes physiques simples et affectent également les propriétés macroscopiques, comme la réponse optique, la diffusion ou la réponse aux champs magnétiques et électriques. Ces propriétés ont inspiré la recherche pour trouver de nouvelles façons de concevoir des matériaux avec des topologies inhabituelles.

Dans le cadre du projet FREEFLUID (Channelfree liquid crystal microfluidics), financé par l'UE, des scientifiques ont démontré le contrôle de l'écoulement de fluides nématiques complexes et de l'auto-assemblage de structures 3D sélectionnées. Les fluides nématiques anisotropes ont été au cœur de leurs travaux. L'orientation de leurs molécules ou blocs constitutifs peut être conçue de façon à pouvoir auto-assembler ces structures dotées de diverses fonctionnalités. L'équipe de FREEFLUID, travaillant étroitement avec plusieurs collaborateurs, a conçu plusieurs matériaux pour une mise en forme accordable de l'écoulement et une modélisation dynamique de la charge topologique commandée par la lumière ainsi que de structures fluidiques, dont des pavages de Penrose constitués de plaquettes colloïdales pentagonales, des colloïdaux noués et des nœuds autobloquants (field knots).

Les scientifiques ont démontré l'écoulement d'un cristal liquide nématique dans des canaux microfluidiques de section rectangulaire, grâce à une modélisation numérique et un travail expérimental. Le profil d'écoulement et le profil d'orientation du cristal liquide montrent trois régimes distincts de circulation faible, moyenne et forte, à mesure que la pression d'entraînement varie. Ceux-ci ont été identifiés en comparant des données issues d'expériences de microscopie optique à polarisation et de solutions numériques aux équations nématofluidiques du mouvement. D'autre part, l'écoulement microfluidique du cristal liquide pourrait être complètement orienté de gauche à droite dans un micro-canal simple en appliquant des gradients de températures transversaux.

En utilisant une modélisation entièrement dynamique, les scientifiques ont démontré qu'il est possible de contrôler totalement la création, la manipulation et l'analyse des charges topologiques reliées à une microfibre dans un cristal liquide nématique. Ils ont créé des paires de charges opposées par le biais du mécanisme Kibble-Zurek, avec une trempe à température ambiante induite par laser appliquée en présence de frontières de rupture de la symétrie.

Grâce à la modélisation numérique, ils ont également pu constituer des pavages de Penrose en couches de cristaux liquides nématiques. Plus précisément, les surfaces des particules ont été conçues de façon à développer des potentiels d'interaction entre les particules, qui étaient compatibles avec la quintuple symétrie quasi-cristalline des pavages de Penrose. Ce pavage colloïdal s'est également avéré prendre en charge la substitution hiérarchique de pentagones avec des pentagones de plus petite taille, débouchant sur des matériaux hiérarchiques réagissant à des fréquences optiques multiples.

Enfin, des particules colloïdales nouées ont interagi avec le fluide nématique environnant. Les chercheurs ont observé qu'un nouage de particule et des nœuds de champ ont évolué par transformation en sphères des particules de nœud. Les boucles de défaut ont été liées les unes aux autres et les défauts ont été progressivement reconnectés. Grâce à la souplesse des cristaux liquides nématiques, il a été possible de suivre les charges topologiques.

En résumé, la recherche de FREEFLUID a permis de contrôler la façon dont des structures fluides et des écoulements de fluide peuvent être façonnés à l'échelle micrométrique et nanométrique, en utilisant la modélisation numérique et des expériences en collaboration. Les résultats ouvrent la voie au développement de matériaux souples fonctionnels dotés de propriétés inédites, pour une utilisation potentielle dans les domaines de l'optique, de la photonique et des biotechnologies.

Informations connexes

Mots-clés

Matériaux souples, cristaux liquides, nanostructures, FREEFLUID, pavages de Penrose, topologie, auto-assemblage, mise en forme de flux
Numéro d'enregistrement: 190869 / Dernière mise à jour le: 2017-01-17