Des changements de structure aux interfaces
Les cristaux liquides sont un état particulier de la matière, intermédiaire entre l'état liquide et le cristal solide. Tous les liquides présentent une organisation anisotrope au niveau des interfaces, par exemple à la surface où les molécules adoptent une structure ordonnée normalement absente, en termes de position et d'orientation. Cet effet est encore plus prononcé pour les cristaux liquides. Les cristaux liquides sont donc des systèmes parfaits pour étudier les effets découlant de la surface ou du substrat. En outre, les cristaux liquides sont largement utilisés comme semi-conducteurs organiques, à cause de leurs propriétés électriques et de leur capacité à s'assembler d'eux-mêmes pour former des couches minces. Les cristaux liquides discotiques, formés de molécules en forme de disque, sont une catégorie intéressante découverte il y a une trentaine d'années. À proximité des surfaces solides, les couches minces de cristaux liquides discotiques sont ordonnées dans les trois dimensions (3D). La perturbation de ce fragile équilibre thermodynamique conduit à une phase massive de cristal liquide, ordonnée dans deux dimensions (2D). Le projet DISCO («Substrate-induced phases of discotic liquid crystals») financé par l'UE a été lancé pour caractériser la structure et les propriétés thermodynamiques gouvernant ces phases. Les chercheurs ont choisi un cristal liquide discotique comme système modèle, car les phases induites par le substrat n'y ont été que rarement observées. Les scientifiques du projet ont utilisé la diffraction de rayons X et le microscope à force atomique pour étudier la structure et ses changements associés aux phases induites par le substrat dans des couches minces de cristaux liquides discotiques. Ils ont reconnu une phase plastique tétragonale 3D en colonnes, et montré que sa formation et sa morphologie ne dépendent pas de l'épaisseur du film mais du temps. Ils ont constaté ce phénomène sans précédent où la phase 2D de cristaux liquides devient une phase plastique 3D de cristaux, à cause de nucléations hétérogènes initiées par le substrat sur une durée d'un mois ou plus. Les nucléations hétérogènes impliquant la transformation entre deux phases au niveau des surfaces ou des limites entre les phases sont bien plus courantes que les nucléations homogènes. Elles interviennent dans de nombreuses fabrications d'intérêt industriel comme celles de produits pharmaceutiques, d'additifs alimentaires, d'alliages de métaux et d'électronique organique. Les résultats de DISCO, et les travaux continus de son équipe sur les effets des phases induites par le substrat sur les propriétés des matériaux, auront ainsi un large impact sur la conception et la production de nouveaux composés.
Mots‑clés
Changement de phase, couche mince, discotique, cristaux liquides, induit par le substrat, nucléation hétérogène
