Conformation des polymères cristaux liquides en peigne


a) Phase isotrope T = 140° C	b) Phase nématique haute température T= 118° C	c) Phase smectique T= 95° C	d) Phase nématique rentrante T = 45° C
Figure 1 : Images de l'intensité de neutrons diffusés obtenus grâce au détecteur bidimensionnel. Sur la figure le champ magnétique orientant est parallèle au petit côté de la page. La diffusion ayant lieu dans "l'espace réciproque" son anisotropie est inversée par rapport a l'espace réel : ainsi la figure 2d indique que la chaîne polymère a tendance à s'aligner dans le sens du champ. La symétrie du système augmente lorsque l'élévation de la température fait passer de la phase smectique à la phase isotrope.

Les polymères sont omni-présents dans notre environnement. On connaît bien les plastiques, les caoutchoucs, nous-mêmes (cheveux ...). Ce sont de très grandes molécules, fréquemment des chaînes flexibles faites de maillons rigides.

Les cristaux liquides, au contraire, sont de petites molécules, par exemple en forme de bâton. Dans certains domaines de température, sous l'influence d'un champ électrique ou magnétique, ces molécules vont aligner leurs axes (état nématique) ou même s'ordonner en couches (état smectique), modifiant ainsi leurs propriétés optiques (cadrans de montre, téléviseurs plats ...).

En greffant des molécules favorisant l'état cristal liquide sur des chaînes, il est possible de réaliser des polymères cristaux liquides (Fig. 2). On espère ainsi associer des propriétés de polymères : état amorphe, plastique et stable à basse température, avec des propriétés "cristal liquide" à haute température : fusion partielle orientée ... Des perspectives de développement existent pour des disques à mémoire de masse optique, des matériaux organiques conducteurs de l'électricité ou photosensibles. Une variété particulièrement riche en possibilités est celle des polymères en peigne où les molécules cristal liquide sont greffées latéralement sur la chaîne, par l'intermédiaire d'un espaceur relativement flexible.

Figure 2 : Schéma d'un polymère cristal liquide en peigne

La nature de la conformation de la chaîne en phase cristal liquide est un problème fondamental. La chaîne préfère-t-elle se mettre parallèlement ou perpendiculairement aux dents du cristal liquide ? Et quelle est l'orientation de celles-ci par rapport à un champ appliqué ?

L'échantillon diffuse le faisceau de neutrons (l'image est une figure de diffraction, transformée de Fourier de l'échantillon ; la conformation de l'image sera donc inversée par rapport à celle de l'échantillon). Le résultat général est que, les molécules cristal liquide étant parallèles au champ alignant, la chaîne préfère se mettre dans un plan perpendiculaire au champ. La Fig. 1 présente la diffusion d'un même échantillon pour des températures décroissantes. Le champ magnétique alignant est horizontal. On voit qu'une certaine anisotropie apparaît dés la phase nématique haute température, cette anisotropie s'accentuant considérablement dans la phase smectique. On a pu montrer qu'alors la chaîne est presque complètement confinée entre les couches smectiques. Cependant, cet échantillon présente la première exception à la règle énoncée ci-dessus : l'anisotropie est retournée dans la phase nématique (réentrante) qui apparaît à plus basse température (l). La compréhension de ce système est encore rudimentaire, en particulier la relation entre la conformation de la chaîne et la structure moléculaire dont nous parlerons dans un prochain article.

Ce travail a donné lieu à une thèse (L. Noirez - janvier 1989) d'où sont extraites les figures.

Un aspect de la théorie de la conformation des polymères à deux dimensions a été présenté dans Phases n°1.

Référence :

(1) Noirez L., Keller P., Davidson P., Hardouin F., Cotton J.-P., 1988, J. Phys. 49, 1993.

Contact :

Jean-Pierre COTTON. LLB.

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