MÉSOMORPHE ÉTAT

Cristaux liquides lyotropes

Les états mésomorphes obtenus par le mélange de certaines substances avec des solvants sont appelés cristaux liquides lyotropes. Ces cristaux liquides comprennent toujours deux constituants : un dérivé mésogène et un solvant (généralement de l'eau). Le solvant n'a pas simplement pour effet de « diluer » la phase cristalline liquide, il participe à l'organisation du matériau. Dans le cas de l'eau, le mésogène est généralement une molécule constituant les savons – c'est-à-dire une chaîne paraffinique substituée à son extrémité par un groupement carboxylate :

Les savons sont des composés amphiphiles, ils possèdent simultanément une partie hydrophile avide d'eau (le groupement carboxylate) et une partie hydrophobe (la chaîne hydrocarbonée). Le type d'organisation des cristaux liquides lyotropes est fortement marqué par cette ambivalence : les parties hydrophiles tendent à s'agréger pour former des régions polaires tandis que les composants hydrophobes s'associent pour former des zones apolaires.

Deux types principaux d'organisation sont rencontrés : les phases de symétries lamellaire et cylindrique. L'organisation lamellaire se rencontre déjà dans la forme solide des savons anhydres. Les groupes carboxylate fortement liés à leur contre-ion (généralement un cation alcalin) tapissent l'extérieur des plans formés par les chaînes paraffiniques. Les parties hydrophiles et hydrophobes sont toutes deux cristallisées et figées. Selon la grosseur de la tête polaire, des structures en bicouche ou en monocouche peuvent être observées. En effet, la distance entre les chaînes paraffiniques cristallisées ne peut être supérieure à 0,45 nm. Dans une structure en bicouche, des têtes polaires trop volumineuses conduiraient à des distances interchaînes plus importantes, une structure en monocouche est donc adoptée. En présence d'eau une phase « gel » est obtenue ; les molécules d'eau s'introduisent entre les plans constitués des molécules amphiphiles et les écartent à des distances pouvant atteindre jusqu'à 10 nm. Simultanément, les têtes polaires s'ionisent, et le groupe carboxylate et son contre-ion sont solvatés séparément. Une structure en monocouche est adoptée. Les chaînes hydrocarbonées se trouvent encore dans un état quasi cristallin et sont entièrement étendues. Par élévation de température, les chaînes paraffiniques « fondent » pour former des cristaux liquides ; les composantes hydrophiles et hydrophobes ne s'ordonnent plus selon aucune périodicité.

Lorsque la concentration en eau augmente, une organisation de symétrie cylindrique apparaît. Dans tous les cas, les chaînes paraffiniques sont dans un état cristal liquide. Dans la phase dite « normale » des cylindres infinis constitués des molécules d'amphiphiles sont séparés les uns des autres par un milieu aqueux. Les cylindres forment généralement un réseau hexagonal bidimensionnel. Des molécules polaires – tel le méthanol – ou des électrolytes peuvent être incorporés au milieu aqueux intercolomnaire sans rompre la structure de la mésophase. Dans quelques cas, des cylindres possédant un cœur formé de groupements hydrophiles et d'un milieu aqueux ont été mis en évidence ; les molécules amphiphiles sont alors organisées en double couche.

Des phases « inverses » ont également été mises en évidence ; le milieu intercolomnaire est cette fois constitué de la partie hydrophobe de la molécule ; des solvants apolaires tels que le benzène ou des alcanes sont généralement ajoutés au milieu.

Des empilements de symétrie rectangulaire ont également été observés.

La nature chimique des amphiphiles utilisées n'est pas aussi multiple que pour les cristaux liquides thermotropes. La partie hydrophobe est presque toujours constituée[...]