Les écrans LCD sont partout. Ils sont utilisés dans un large éventail d’applications, telles que les écrans de téléphones portables, les consoles de jeux vidéo, les tableaux de bord des voitures et les équipements médicaux. En raison des propriétés uniques de ces liquides, les écrans à cristaux liquides (LCD) produisent des couleurs lorsqu’un courant électrique les traverse : réorganisent leurs formes et réfléchissent différentes longueurs d’onde de lumière.
Aujourd'hui, des chercheurs du laboratoire de Chinedum Osuji, professeur présidentiel Eduardo D. Grant et directeur du département de génie chimique et biomoléculaire, ont découvert que ces cristaux extraordinaires pourraient faire encore plus. Dans de bonnes conditions, les cristaux liquides se condensent en structures étonnantes, créant spontanément des filaments et des disques plats capables de transporter des matériaux d'un endroit à un autre, un peu comme des systèmes biologiques complexes. Cette découverte pourrait conduire à de nouvelles façons d’assembler des matériaux, de modéliser l’activité cellulaire, etc.
"C'est comme un réseau de tapis roulant, et c'était cette observation fortuite de quelque chose qui semblait très réaliste en surface - c'était le premier indice qu'il pourrait s'agir de quelque chose de plus général et intéressant", a déclaré Christopher Browne, chercheur postdoctoral dans le laboratoire d'Osuji et co-premier auteur d'un article décrivant la découverte récemment publié dans les Actes de l'Académie nationale des sciences (PNAS).
Browne et Osuji sont désormais membres d'un groupe interdisciplinaire soutenu par la NSF et hébergé au Laboratoire de recherche sur la structure de la matière (LRSM), dirigé par Matthew Good, professeur agrégé de biologie cellulaire et développementale à l'École de médecine Perelman, et Elizabeth Rhoades, professeur de chimie au Collège des arts et des sciences, étudiant la formation de condensation dans les systèmes biotiques et abiotiques.
Initialement, le laboratoire d'Osuji a travaillé avec Exxon Mobil Corp. pour étudier le poix mésophase, une substance utilisée pour développer des fibres de carbone à haute résistance telles que celles des voitures de course de Formule 1 et des raquettes de tennis haut de gamme. "Ces matériaux sont des cristaux liquides", a déclaré Osuji à propos des précurseurs chimiques de la fibre de carbone elle-même. "Ou plutôt, pendant le traitement, ils restent des cristaux liquides pendant un certain temps au cours de leur existence." En menant des expériences sur le condensat à différentes températures, Yuma Morimitsu, un autre postdoctorant du laboratoire d'Osudera et co-premier auteur de l'article, a remarqué le comportement inhabituel du matériau.
Généralement, si deux fluides non miscibles (c'est-à-dire non mélangés) sont réunis puis chauffés à une température suffisamment élevée pour les forcer à se mélanger, si le mélange est ensuite refroidi, à un moment donné, le mélange se séparera ou se « démixera ». Généralement, cela se produit par la formation de gouttelettes qui fusionnent en une couche distincte, un peu comme si vous mélangez de l'huile et de l'eau, vous vous retrouverez avec une couche d'huile au-dessus de l'eau.
Dans ce cas, le cristal liquide – 4'-cyano-4-dodécyloxybiphényle (également connu sous le nom de 12OCB) – a spontanément formé une structure très irrégulière lorsqu'il est séparé du squalane, une huile incolore. "Lorsque les phases des cristaux liquides se séparent des autres composants du système, au lieu de former des gouttelettes, ils forment une cascade de structures, en commençant par ces filaments qui se développent rapidement, puis en formant un autre ensemble de structures - ce que nous appelons des disques surélevés ou des gouttelettes plates", a déclaré Osuji.
Pour comprendre le système, les chercheurs ont utilisé des microscopes puissants pour observer le mouvement des cristaux liquides à l’échelle du micron, soit un millionième de mètre, ce qui équivaut à la largeur d’un cheveu humain. "La première fois que nous avons vu ces structures, la vitesse de refroidissement était trop élevée, provoquant la condensation des cristaux liquides", se souvient Osuji. "Ce n'est qu'en ralentissant et en amplifiant la vitesse de refroidissement que les chercheurs ont réalisé que les cristaux liquides formaient spontanément des structures rappelant des systèmes biologiques."
Il est intéressant de noter que Brown a découvert que plusieurs chercheurs avaient failli observer un comportement similaire il y a plusieurs décennies, mais que les systèmes qu'ils étudiaient n'avaient pas de comportement particulièrement évident ou manquaient de microscopes suffisamment puissants pour voir ce qui se passait.
Pour Brown, l'aspect le plus passionnant de ce résultat est qu'il rassemble plusieurs domaines traditionnellement déconnectés : le domaine de la recherche sur la matière active, qui étudie les systèmes biologiques qui transportent des matériaux et génèrent du mouvement, et le domaine de l'auto-assemblage et du comportement de phase, qui étudie les matériaux capables de générer de nouvelles structures par eux-mêmes et de se comporter différemment lorsqu'ils changent de phase. Il s'agit d'un nouveau type de système de matériaux actifs.
Lui et Osuji ont également noté que les résultats pourraient être utilisés pour modéliser des systèmes biologiques afin de mieux comprendre leur fonctionnement ou pour créer des matériaux. "Les molécules sont absorbées dans les filaments puis transportées en continu dans ces gouttelettes plates", a déclaré Osuji, "bien que le simple fait de regarder le système ne révèle aucune activité évidente. En fait, les gouttelettes plates peuvent fonctionner comme de petits réacteurs, produisant des molécules qui sont ensuite transportées par les filaments vers d'autres gouttelettes pour le stockage ou d'autres réactions chimiques."
Les chercheurs affirment également que leurs découvertes pourraient revigorer la recherche sur les cristaux liquides eux-mêmes. Lorsqu’un domaine s’industrialise, la recherche fondamentale a tendance à décliner. Mais il existe parfois des énigmes non résolues que personne ne peut résoudre.
Compilé à partir de /ScitechDaily