CRISTAUX LIQUIDES

Propriétés physiques remarquables

Les cristaux liquides présentent des propriétés optiques tout à fait inhabituelles qui sont à la base de nombreuses applications.

Les phases nématiques ou smectiques A (dont les molécules sont perpendiculaires au plan des couches) constituent des milieux optiquement uniaxes ; les cholestériques, eux, du fait de leurs structures périodiques, donnent lieu à des réflexions de Bragg dans le domaine des longueurs d'ondes optiques. D'autres milieux manifestent de telles propriétés ; cependant, dans le cas des cristaux liquides, ces propriétés se révèlent au sein d'un milieu fluide et, par conséquent, d'un substrat malléable et très sensible aux perturbations extérieures qui modifient l'ordre orientationnel du milieu. Les cristaux liquides sont ainsi de bons détecteurs optiques de très faibles perturbations (température, champ électrique ou champ magnétique, pression, agent chimique, etc.).

La majeure partie des applications découlent de la propriété originale qu'ont les cristaux liquides d'être facilement orientés par un champ électrique ou magnétique.

Action d'un champ électrique

L'énergie d'un ensemble de molécules soumises à un champ électrique E→ s'écrit :

Cette expression suppose la convention d'Einstein qui consiste à effectuer une sommation sur les indices répétés.

Le moment électrique d'une molécule i a pour expression :

où α^E_ijE est le moment induit, m^E^₀_i le moment permanent et α^E_ij le tenseur de polarisabilité électrique. On a donc l'énergie de l'ensemble des molécules :

L'orientation coopérative des molécules s'effectue de façon à minimiser la valeur de l'énergie W^E. Comme α_ij est une quantité toujours positive, la valeur W^E dépend de l'importance des moments permanents et induits, qui peuvent parfois jouer un rôle antagoniste, d'autant plus que les dépendances fréquentielles et thermiques des contributions permanentes et induites sont très différentes. Suivant les molécules et les conditions expérimentales, on peut donc avoir deux comportements :

– l'alignement des molécules dans la direction du champ électrique (anisotropie diélectrique positive),

– l'alignement des molécules dans la direction perpendiculaire du champ électrique (anisotropie diélectrique négative).

Action d'un champ magnétique

Si l'analyse, pour le champ magnétique H, est en tout point semblable à celle qui vient d'être développée pour le champ électrique, le résultat n'est pas équivalent. L'énergie d'un ensemble de molécules soumises à un champ magnétique s'écrit :

avec W^M énergie magnétique, m^M_i moment magnétique, mais m^M_i = α^M_ijH_j. En effet, la quasi-totalité des molécules mésomorphes ne possèdent pas de moments magnétiques permanents ; ce sont généralement des molécules diamagnétiques qui possèdent uniquement un moment induit. On a donc, en général :

On peut montrer que α^M_ij est une quantité toujours négative (diamagnétisme) et le comportement habituel correspond à l'alignement des molécules dans la direction du champ.

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Écrit par

Henry GASPAROUX : professeur à l'université de Bordeaux-I

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