Un cristal liquide est un état de phase dans lequel une substance possède simultanément les propriétés des liquides et celles des cristaux. C’est-à-dire qu’ils ont la fluidité et en même temps l’anisotropie — une différence dans les propriétés d’un milieu donné en fonction de la direction à l’intérieur de celui-ci (par exemple l’indice de réfraction, la vitesse du son ou la conductivité thermique).
Les cristaux liquides ont une structure liquide visqueuse, composée de molécules en forme de disque. L’orientation de ces molécules peut changer lorsqu’elles interagissent avec des champs électriques.
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Histoire de la découverte
En 1888, le botaniste autrichien Friederich Reinitzer a découvert que certains types de cristaux ont deux points de fusion, ce qui implique qu’il existe deux états liquides différents, l’un transparent et l’autre trouble.
Bien qu’en 1904, le physicien allemand Otto Lehmann ait fourni un certain nombre de preuves scientifiques en faveur des cristaux liquides dans son livre du même nom, pendant longtemps, les cristaux liquides n’ont pas été reconnus comme des états distincts de la matière. En 1963, l’inventeur américain James Ferguson a trouvé une application à l’une des propriétés des cristaux liquides : le changement de couleur en fonction de la température. L’Américain a obtenu un brevet pour son invention, qui permet de détecter des champs thermiques invisibles à l’œil nu. Dès lors, la popularité des cristaux liquides a commencé à croître.
Groupes de cristaux liquides et leurs propriétés
Les cristaux liquides sont généralement divisés en deux groupes :
-
Les cristaux thermotropes — formés par le réchauffement d’un solide. Ils sont capables d’exister dans des conditions de température et de pression données. Ils sont divisés en trois types, en fonction de l’arrangement des molécules :
Ordres de différentes CL thermotropes
- Smectique — ces CL ont une structure en couches, dont les couches peuvent se déplacer les unes par rapport aux autres. La densité de la couche peut changer lorsqu’elle s’approche de la surface. En outre, les «smectiques» ont une viscosité relativement élevée. Il s’agit de la classe de CL la plus étendue.
- Nématiques — elles n’ont pas de structure en couches et leurs molécules allongées glissent continuellement le long de leurs axes longs tout en tournant autour d’eux. Ces CL sont semblables à des liquides. Seules les substances dont les molécules ont une forme qui ne diffère pas de leur image miroir sont capables d’atteindre cet état agrégé.
- Cholestérique — formé dans les composés de divers stéroïdes, tels que le cholestérol. Similaire à bien des égards aux LC nématiques, à l’exception de la disposition des molécules. Les axes longs des molécules des CL cholestériques sont tournés l’un par rapport à l’autre de telle sorte que les molécules forment des spirales. La principale caractéristique de ce type de cristaux liquides est que ses molécules sont hypersensibles à tout changement de température et qu’en fonction de celle-ci, elles changent d’orientation, et donc de spirale. Il convient de noter que les hélices des cristaux liquides cholestériques changent également de couleur en fonction du pas de la spirale. Grâce à ces deux propriétés, ces cristaux liquides ont trouvé de nombreuses applications dans divers domaines de l’activité humaine.
Les trois types de cristaux liquides thermotropes sont les suivants
- Lyotrope — formé dans des mélanges composés de molécules en forme de bâtonnets d’une substance donnée et de solvants polaires (par exemple l’eau).
Applications des cristaux liquides
Écrans LCD
Tout d’abord, il convient de mentionner non pas l’application la plus utile, mais la plus connue des écrans à cristaux liquides, à savoir les écrans à cristaux liquides. On les appelle parfois écrans LCD, abréviation de «liquid crystal display» (affichage à cristaux liquides). À l’ère des gadgets, ces écrans sont présents dans presque tous les appareils électroniques : téléviseurs, écrans d’ordinateur, appareils photo numériques, navigateurs, calculatrices, livres électroniques, tablettes, téléphones, montres électroniques, lecteurs, etc.
Le dispositif des écrans LCD est assez complexe, mais il s’agit en général d’un ensemble de plaques de verre entre lesquelles se trouvent des cristaux liquides (matrice LCD) et de nombreuses sources lumineuses. Un pixel de la matrice LCD comprend une paire d’électrodes transparentes qui permettent de modifier l’orientation des molécules de cristaux liquides, ainsi qu’une paire de filtres de polarisation qui ajustent le degré de transparence, etc.
Structure d’un écran à cristaux liquides
Thermographie
Une application moins populaire mais plus importante de l’écran LCD est la thermographie. La thermographie permet d’obtenir une image thermique d’un objet, grâce à l’enregistrement du rayonnement infrarouge — la chaleur. Les dispositifs de vision nocturne à infrarouge sont utilisés par les pompiers, en cas de fumée dans la pièce, afin de détecter les victimes d’un incendie. Ils sont également utilisés par les services de sécurité et les services militaires.
L’imagerie thermique permet de détecter les surchauffes, les défauts d’isolation ou d’autres zones défectueuses lors de l’entretien ou de la construction de lignes électriques.
Applications de la thermographie dans la maintenance des lignes électriques
La thermographie est également utilisée en imagerie médicale, principalement pour la surveillance des seins. Elle permet de détecter divers cancers comme le cancer du sein.
Thermographie informatisée en médecine
Indicateurs électroniques
Les indicateurs électroniques créés à l’aide de cristaux liquides réagissent à différentes températures, ce qui leur permet de signaler les pannes et les dysfonctionnements de l’électronique. Par exemple, le LCD sous forme de film est appliqué aux cartes de circuits imprimés et aux circuits intégrés, ainsi qu’aux transistors. Les segments électroniques défectueux peuvent être facilement distingués grâce à cet indicateur.
En outre, les indicateurs à cristaux liquides placés sur la peau du patient peuvent détecter les inflammations et les tumeurs chez l’homme.
Les indicateurs à cristaux liquides sont également utilisés pour détecter les vapeurs de divers composés chimiques nocifs, ainsi que les rayons ultraviolets et gamma. Les détecteurs à ultrasons et les jauges de pression sont développés à l’aide d’écrans à cristaux liquides.
Analyseur de souffle basé sur un indicateur de vapeur à cristaux liquides
Outre l’application directe des cristaux liquides dans les sphères mentionnées ci-dessus, il convient de noter que les cristaux liquides ressemblent beaucoup à certaines structures cellulaires et qu’ils sont parfois présents dans celles-ci. En raison de leurs propriétés diélectriques, les cristaux liquides régulent les relations au sein de la cellule, entre les cellules et les tissus, et entre la cellule et l’environnement. L’étude de la nature et du comportement des cristaux liquides peut donc contribuer à la biologie moléculaire.
Date de publication: 12-26-2023
Mettre à jour la date: 12-26-2023