cristal liquide

État de la matière, dit mésomorphe, combinant des propriétés d’un liquide conventionnel et celles d’un solide cristallin.

Les cristaux liquides font partie intégrante de notre quotidien puisqu’ils sont utilisés dans les fonctions d'affichage de la plupart des appareils électroniques (smartphones, téléviseurs, ordinateurs portables, etc. → écran LCD), dans de nombreux produits cosmétiques, et sont également omniprésents dans le monde du vivant (ADN, écailles de poissons, etc.).

1. Aperçu historique

L’idée de l’existence d’un état intermédiaire entre l’état liquide et l’état solide cristallin remonte aux observations effectuées entre les années 1850 et 1880 de substances d'origine biologique se comportant comme un cristal face à la lumière tout en étant fluide.

Mais cet état dit mésomorphe ne sera découvert qu’en 1888 par le botaniste autrichien Friedrich Reinitzer (1857-1927). Celui-ci observe que le benzoate de cholestéryle (extrait de la racine de la carotte) présente deux points de fusion : les cristaux fondent à 145,5 °C en se transformant en un liquide laiteux, qui devient ensuite un liquide parfaitement clair à 178,5 °C ; et le phénomène est réversible. Ce comportement contredit les connaissances de l’époque sur les cristaux qui « normalement » perdent solidité et couleur à une seule et même température. Il en fait part au cristallographe allemand Otto Lehmann (1855-1922) qui confirme l’existence de ce nouvel état de la matière et propose le nom de « cristal liquide » (Fliessende Krystalle, en allemand) dans un article paru en 1889.

Cette découverte fondamentale suscite énormément d’intérêt dans la communauté scientifique de la fin du xix^e siècle, mais reste un sujet d’étude purement théorique. En effet, les applications commerciales des cristaux liquides ne verront le jour que plusieurs décennies plus tard, du fait des points de fusion trop élevés des cristaux liquides connus à l’époque.

Pour en savoir plus, voir l'article cristallographie.

2. Classification des cristaux liquides

Dès 1922, le minéralogiste Georges Friedel répartit les cristaux liquides, qu’il appelle préférentiellement mésophases ou états mésomorphes (de mesos en grec, « intermédiaire »), en trois grandes familles :

• les smectiques (du grec smectos, « savon ») : molécules cylindriques formant des couches parallèles, nommées ainsi en raison de propriétés mécaniques proches de celle d’un film savonneux (→ savon) ;

• les nématiques (du grec nematos, « fi l») : molécules orientées dans le même sens, mais sans répartition en couche, formant comme des fils quand on les observe au microscope ;

• les cholestériques : dérivés du cholestérol (d’où leur dénomination) dont les molécules chirales (possédant un carbone asymétrique) forment une structure en hélice.

Par ailleurs, on peut également classer les cristaux liquides en deux grandes catégories :

• les thermotropes : molécules relativement courtes dont les états mésomorphes apparaissent par chauffage (→ chaleur) ;

• les lyotropes : molécules assez longues en solution dans un solvant (qui est la plupart du temps de l’eau).

3. Propriétés et structures des cristaux liquides

Les molécules des cristaux liquides peuvent se déplacer les unes par rapport aux autres relativement facilement, comme les molécules d'un liquide. Cependant, les molécules d'un cristal liquide ont tendance à s'orienter de la même façon, comme dans un cristal solide. Le double comportement (liquide et solide) des cristaux liquides ne s'observe que dans un certain domaine de température et de pression.

À des températures suffisamment élevées ou à de faibles pressions, l'orientation des molécules disparaît, provoquant la transformation du cristal liquide en liquide. À des températures suffisamment basses ou à des pressions suffisamment élevées, les molécules d'un cristal liquide se déplacent difficilement les unes par rapport aux autres : le cristal liquide se solidifie.

On peut mettre en évidence les propriétés optiques d’un cristal liquide en lui appliquant un champ magnétique ou électrique qui modifie l'orientation de ses molécules. Par exemple, lorsque l'on applique un faible champ électrique à certains cristaux liquides, on observe un changement de teinte du cristal (→ couleur). Le cristal peut également acquérir la propriété de faire tourner le plan de polarisation de la lumière.

Par ailleurs, l’agencement hélicoïdal des molécules biologiques constituant les cristaux liquides cholestériques confère à la matière vivante des propriétés physiques déterminantes, comme la compaction de l’ADN dans le noyau des cellules, la résistance des carapaces des arthropodes et des os humains, ou encore les couleurs irisées de certains fruits et de certaines carapaces d’insectes.

4. Applications des cristaux liquides

Les premières applications des cristaux liquides ont concernées les fonctions d’affichage des écrans des montres digitales et des calculatrices de poche (écrans LCD) dans les années 1960-1970. Puis rapidement, leur champ d’application s’est élargi pour toucher tous les dispositifs électroniques grand public : téléviseurs, ordinateurs portables, consoles de jeux vidéo, smartphones, etc.

On trouve également des cristaux liquides dans certains thermomètres changeant de couleur en fonction de la température (le changement de température induit un changement d’orientation des molécules et par conséquent une modification de la longueur d’onde de la lumière réfléchie). Cette propriété de certains cristaux liquides à changer de couleur en fonction de l’angle d’observation est aussi utilisée dans la fabrication de billets de banque pour leur authentification.

Par ailleurs, il est important de noter que parallèlement à l’utilisation massive de cristaux liquides thermotropes dans les écrans LCD, les cristaux liquides lyotropes sont quant à eux utilisés massivement en cosmétologie. En effet, les produits cosmétiques regorgent de ce type de cristaux liquides utilisés comme excipients qui peuvent présenter des consistances très diverses : solide, caoutchouteuse, gélatineuse ou pâteuse. Ils sont ainsi incorporés dans tous types de produits (gels, crèmes, laits…) et peuvent même, dans le cas d’un gel transparent par exemple, donner des couleurs irisées au produit.

Enfin, si les cristaux liquides sont omniprésents dans les produits cosmétiques et les appareils électroniques, ils sont aussi omniprésents dans le vivant, chez les animaux comme chez les végétaux : ADN, cellulose de la paroi cellulaire des plantes et des fruits, collagène des os, cornée, écailles de poisson, chitine des carapaces des insectes et des crustacés… Leur étude ouvre d'immenses perspectives d'applications, notamment dans le domaine des matériaux biomimétiques et de la médecine régénérative.