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polymères photo-sensibles et leurs applications à la photo-réorientation des cristaux liquides.

Les cristaux liquides
       Les phases liquides cristallines, ou mésophases, possèdent des propriétés communes aux liquides et aux solides cristallins. Elles sont  fluides (c'est a dire qu'elles s'écoulent) et elles possèdes des propriétés mécaniques et optiques propres aux cristaux. C'est d'ailleurs leurs propriétés d'anisotropie optique qui est utilisée dans les cellules d'affichage.
 

Représentation de la structure Nématique. Cette structure est caractérisée par un ordre orientationnel : la flèche indique la direction moyenne des molécules.

Deux autres structures liquides cristallines (a) : structure cholestérique, appelée encore Nématique torse car elle est obtenue en "tordant" une structure Nématique. (b) : structure smectique.Cette structure présente à la fois un ordre orientationnel et un ordre en couches.

Réorientation des molécules de cristal liquide

Les molécules alongées du schéma ci-dessus comportent chacunes un couple de particules d'éléctricité, une positive et une négative - on parle de dipôle. Lorsqu'on leur applique une tension électrique, les charges électriques qu'elles possèdent sont attirées, soit par le pôle positif pour la charge négative, soit  par le pôle négatif  pour la charghe positive. ceci à pour effet basculer la molécule, comme dans le schéma ci-contre :

Polarisation de la lumière
    Le lumière est une onde qui en possède les particularités,  comme d'avoir une direction de vibration. Cette direction de vibration est appelée direction de polarisation de l'onde.
    On peut illustrer cette propriété avec l'analogie de la corde vibrante. La corde vibre dans un plan. Si on place sur le trajet de l'onde (le long de la corde) un obstacle qui l'empêche de vibrer librement (comme un peigne), l'onde est amortie. Dans certains cas, l'onde est même complètement détruite. Un tel obstacle (le peigne) erst appelé polariseur linéaire.

    Dans ce schéma, l'onde est représentée par la vague et se propage de la gauche vers la droite dans le plan P1. Le premier peigne (polariseur linéaire) à ses dents contenues dans P1 et laisse se propager l'onde ; tandis que le second peigne, dont les dents sont contenues dans un plan P2 perpendiculaire à P1, empêche complètement l'onde de se propager.
Si le second  était moins incliné, l'onde en émergerait, non seulement affaiblie, mais aussi vibrant dans le plan des dents du peigne.

Les afficheurs à cristal liquide nématique de type "Twisted Nematic" (traduction : Nématique tordu).

Cellule d'affichage à cristal liquide Nématique

   Les molécules de cristaux liquides sont représentés dans la figure par des bâtonnets. Les deux plans rainurés à l'entrée et à la sortie de la cellule figurent des polariseurs linéaires. Lorsque la structure du cristal liquide est équivalente à celle d'un matériau isotrope comme c'est le cas sur la figure de droite (ci-dessus), la lumière ne peut pas émerger de la cellule.
    Par contre, lorsque la structure du cristal liquide est torse (figure de gauche, ci-dessus) - et que certaines  conditions sont respectées - la polarisation de l'onde lumineuse (représentée par un ruban) qui traverse la cellule suit la rotation des molécules de cristal liquide. Dans ce cas, la lumière peut émerger de la cellule.

    On peut perturber cet alignement par l'application d'une tension électrique qui réoriente les molécules, comme représentée sur le schéma ci-dessus (à droite).
    Sur la figure de gauche, la structure torse est réalisée en obligeant les molécules du cristal liquide à être alignées (on dit "ancrées") sur les deux surfaces de verre de la cellule, les directions d'alignement sur les surfaces étant orthogonales. Ce sont les forces élastiques qui propagent l'orientation des molécules d'une surface à l'autre. La structure torse est le résultat de la compétition de ces deux ancrages.
Alignement d'un cristal liquide sur une surface rainurée

Les polymères photo-sensibles et leur photo-transformation     Le polymère présenté ci-dessus, le poly(vinyl-cinnamate), est de type peigne. Il est composé d'une partie sensible à la lumière (on dit "photosensible") - le chromophore cinnamique -, et d'une partie  qui assure sa cohésion : la chaîne vinyle. Il existe d'autres polymères photo-sensibles, composé d'autres chromophores comme le montre ce document (dans lequel le trait vertical de gauche représente la chaîne vinylique) :     Les polymères indexés (a) sont de type "peigne", alors que les autres sont de type "chaîne", c'est à dire que le chromophore est situé dans la chaîne qui assure la cohésion du matériau.

La photo-transformation du poly(vinyl-cinnamate), un polymere "en peigne".
    La photo-transformation n'affecte que la partie photo-sensible (le chromophore). Deux types de phototransformation peuvent survenir, présentées sur le schéma ci-après.  (a) isomérisation et (b) cyclo-dimérisation (pontage de 2 chromophores).

Deux photo-transformations pour ce polymere en peigne : (a) et (b).

    Sur ce schéma, on voit que le chromophore se déforme au cours de l'une ou l'autre transformation. Il subit une rotation, qui fait de lui un levier moléculaire. Des expérimentateurs ont eu l'idée de les utiliser pour réorienter des molécules de cristal liquide, comme le présente la figure ci-contre :

Rotor moléculaire et photo-alignement des cristaux liquides
    Ces leviers moléculaires - ou rotor moléculaires - agiraient comme présenté sur les schémas ci-contre :

Le photoalignement des cristaux liquides

Effet de l'irradiation sur la transmission de la cellule. La tache fait environ 200 µm de diamètre.

Explication de la figure de gauche. Les bâtonnets représentent les molécules de cristal liquide. A l'extérieur de la tache, l'alignement est uniforme. A l'intérieur de la tache, le polymère irradié a modifié l'alignement initial des molécules de cristal liquide. A la périphérie, l'alignement des molécules est intermédiaire.

Lexique :

Anisotropie : un milieu est dit "an-isotrope" (i.e. non-isotrope) lorsque ses propriétés physiques différent selon qu'on l'étudie dans différentes  directions de l'espace (elles sont trois :longueur, largueur, profondeur).
Considérons par exemple le milieu que constitue un paquet de spaghetti. On peut aisément faire tourner chaque spaghetti le long de son axe sans faire craquer le paquet (la "phase"). Par contre, faire tourner les spaghetti un à un selon l'axe perpendiculaire conduit à la destruction des spaghetti ou à la destruction du paquet bien de spaghétti bien rangés (cf. schéma ci-après).

Amorphe : non-cristallin. Un matériau amorphe (éthymol : sans forme) possèdes les propriétés physiques isotropes.
 

Cristal : un cristal est une structure extêmement  ordonnée de la matière. Le dessin ci-contre représente une structure cristalline à deux dimensions. En remplisant un aquarium rectangulaire avec des boules de ping-pong, vous obtenez une telle structure ordonnée et compacte.

Etat : voir. phase.

Isotropie : voir anisotropie. Les liquides (et parmi eux, les verres), les gazs ainsi que le vide sont des milieux isotropes.

Mésophases : phase intermédiaire entre les phases connues depuis l'antiquité : les phases solides, liquides et gazeuses. Par exemple, les cristaux liquides et les plasmas sont des mésophases.

Phase : un état de la matière caractérisée par des paramètres physiques (pression, température, conduction éléctrique etc.) deux phases diffèrent par au moins un paramètres.
Par exemple : les phases solides, liquides et gazeuses d'un même matériau se différencient, au moins, par la densité (le rapport de la masses a son volume) de ce matériau dans chacune des phases.

Polymère : matériau organique obtenu par l'accrochage les uns aux autres d'un élément de base appelé "mono-mère". Par exemple, les structures "A-A-A" et  "A-A-A-A-A-A-..." sont, pour la première un oligo-mère (ici, précisément un tri-mère), et pour la seconde un poly-mère, du mono-mère "A". La structure "A-B-A-B-A-B-A-B..." est un  polymère hétérogène, ou co-polymère, d'unité monomère "A-B".
La structure générale d'un polymère est semblable celle d'un plat de spaghetti. Il peut cependant exister localement des zones très ordonnées, quasi-cristallines, comme le montre le schéma ci-après. Les zones cristallines y sont représentées par des '"spaghetti" parallèles entre eux, et les zones amorphes (non-cristallines) par des spaghetti entortillés.