Polymères à cristaux liquides (PCL) thermotropes

Dans les liquides, les atomes ou molécules individuels sont répartis au hasard et la connaissance de la position de l’un quelconque d’entre eux ne donne aucune indication sur la position des autres.

Dans les solides cristallins, les atomes (ou les molécules) occupent des positions définies par le réseau cristallin et la connaissance de la position de l’un des atomes (ou molécules) définit la position des autres.

Les cristaux liquides (CL) ont à la fois des caractéristiques propres aux liquides et aux solides cristallins.

Sur des distances courtes (environ 10 nm), les CL sont hautement organisés. Dans de petites régions de l’espace, appelées domaines, les atomes et les molécules sont disposés les uns par rapport aux autres comme dans les solides cristallins. Cette organisation est élevée au point que les CL réfractent les radiations électromagnétiques telles que les rayons X ou la lumière visible ce qui leur donne un aspect diffus, translucide indiquant la présence d’un liquide multiphase.

Cependant, même à l’intérieur des domaines, les forces interatomiques ou moléculaires sont relativement modérées et ceux-ci peuvent être facilement déformés sous l’effet de contraintes de cisaillement.

À plus grande distance, il y a peu d’interactions interatomiques ou moléculaires et le matériau se présente comme un liquide conventionnel. Les CL représentent donc un nouvel état de la matière et sont à la fois distincts des liquides et des solides.

Dans chacun des domaines, les propriétés physiques dépendent de la direction de la mesure. Ceux-ci sont donc hautement anisotropes. Lorsque le CL est à l’état de relaxation, cette anisotropie est peu sensible, les domaines étant orientés au hasard. À l’inverse, sous l’effet d’une contrainte de cisaillement ou de celle induite par son écoulement, le CL devient hautement anisotrope. Cet effet est à l’origine d’applications existantes ou potentielles.

Les matériaux susceptibles de f ormer des cristaux liquides peuvent aussi, suivant la température, prendre la forme solide ou liquide (cf. encadré).

À température suffisamment basse, ils formeront des solides cristallins ; à l’inverse, à température suffisamment haute, supérieure à la température dite « température d’éclaircissement », où l’énergie des atomes et des molécules est supérieure aux forces interatomiques ou moléculaires, ils formeront des liquides isotropes.

Pour les polymères à cristaux liquides, la température d’éclaircissement est généralement supérieure à la température de décomposition de ceux-ci. Son intérêt est donc purement académique.

Les CL sont naturellement composés de molécules comprenant des segments linéaires rigides (d’une longueur > 20 Å (2 nm) selon P. Flory [1]) avec des rapports L/D (longueur/diamètre) élevés. Des atomes individuels ou des molécules simples ne peuvent donc constituer des CL.

Si la molécule constituant le CL est unique, il s’agit d’un CL monomérique. Si, au contraire, la molécule est constituée de nombreux monomères (identiques ou non), on parlera de polymère à cristaux liquides « PCL », sujet de cet article.

Pour mémoire, les écrans à cristaux liquides utilisent un CL monomérique entre deux lames de verre ou deux films plastiques. Lors de l’application d’un faible champ électrique, les domaines cristallins s’orientent et le CL réfracte la lumière, faisant apparaître des caractères.