Accueil > Sciences-Techs > Les cristaux liquides > L’échelle de soi

L’échelle de soi

mercredi 13 septembre 2006, par Vintz

Introduction

Surely, you are joking Mr. Feynman1. [1]

Problématique

Le 29 décembre 1959, Richard Feynman, donne une conférence visionnaire à CalTech :
"There’s Plenty of Room at the Bottom". A partir des lois de la physique, connues à cette
époque, R. Feynman montre de quelle manière, la miniaturisation peut être une véritable
opportunité technique et scientifi-que, il esquisse ainsi la voie de ce que sont aujourd’hui les
"nano-technologies". En effet, l’intégration des circuits dépasse actuellement les 200 millions
de transistors par puce avec des tailles de gravures de l’ordre de 100 nm, parallèlement,
les avancées de la biologie et la possibilité d’incorporer des systèmes nanométriques au sein
même de cellules vivantes montrent également que le père de l’électrodynamique quantique
ne plaisantait pas.

Dans le domaine des matériaux pour l’optique, l’aboutissement actuel de cette démarche
se situe peut être dans le développement de structures à bandes photoniques interdites dont
l’essor semble lié essentiellement à la disponibilité d’une instrumentation adaptée. L’ultime
étape présentée par R. Feynman sera la synthèse absolue de molécules, atome par atome. Pour
cette vision des matériaux, la fabrication consiste donc à assembler des briques élémentaires,
ce qui autorise des architectures remarquables au prix cependant de moyens très lourds.
Les opales naturelles existaient avant l’avènement des techniques modernes de gravures
ioniques et aujourd’hui une voie différente de synthèse semble se dessiner pour la réalisation
de nouveaux matériaux. Plutôt que de construire un milieu actif brique par brique et de
manière omnisciente de la part du préparateur, il est possible d’amorcer au sein d’un système
précurseur, une auto organisation pilotée par des phénomènes chimiques et di-ffusifs qui
conduisent à une structuration spontanée du système.
Cette miniaturisation s’accompagne, pour des objets de dimensions inférieures à 10 nm
et présentant de forts contrastes d’indice optique, d’e-ffets de con-finement des champs et
conduit à des propriétés nouvelles inhérentes aux nanosciences. Dans le cas contraire (non
con-finement), les propriétés et surtout les concepts de la physique macroscopique continuent
de s’appliquer.


Les matériaux "nanogouttes"

Une classe importante de matériaux destinés au domaine de l’optique se situe à des
échelles intermédiaires entre un monde macroscopique où la structuration de la matière
se fait de manière extrêmement coercitive et un monde nanoscopique où le con-finement
quantique modifi-e les propriétés physiques usuelles. Les dispersions de cristal liquide dans
du polymère, les PDLCs [2], avec des tailles de domaines supérieures à 10 nm et des contrastes
d’indice optique de l’ordre de Delta n=0.2 n’introduisent pas d’effets de confinement et relèvent
sur ce point des concepts de la physique macroscopique. Dans un même temps, l’échelle de
structuration de ces matériaux permet d’envisager une structuration spontanée en réponse
à une solicitation extérieure.
Une fois formée, une goutte de cristal liquide au sein d’une matrice polymère peut être
assimilée à une sphère biréfringente uniaxe, et présente deux indices principaux, ordinaire et
extraordinaire.
La formation des gouttes conduit alors à une orientation de leurs axes de symétrie spécifique au sein du matériau. L’application d’une tension permet ensuite l’alignement de tous
les vecteurs directeurs moyens avec le champ extérieur.
Dans le cas d’un désaccord d’indice optique, le comportement du système dépend de la
section efficace de diffusion. Le composant adopte soit un mode diffusif, pour des domaines de
tailles comparables ou supérieures à la longueur d’onde d’illumination, soit un mode électro-optique,
pour des tailles nettement plus faibles. Dans ce cas la section efficace reste assez
faible pour assurer une transparence aussi bien en présence qu’en l’absence d’un champ électrique
extérieur. Ces matériaux non diffusants possèdent des domaines de cristaux liquides
de tailles typiquement inférieures à 100 nm, il s’agit alors de matériaux dits "nanogouttes".
L’utilisation des matériaux "nanogouttes" demeure aujourd’hui encore cantonnée au domaine
du laboratoire. Un enregistrement optique des films permet dès à présent d’envisager
des composants complexes et performants sous réserve d’élucider certains points relatifs notamment
à la séparation de phase photoinduite. Il paraît alors intéressant de revenir à une
étude plus fondamentale des ces matériaux qui pourrait mettre en lumière les limitations
intrinsèques liées à ce mode d’enregistrement et permettre d’améliorer sensiblement cette
étape limitante que reste la séparation de phase.

Éléments d’orientation

"Élucider, pour les matériaux "nanogouttes", une partie des relations entre les conditions
d’enregistrement, les structures engendrées et les propriétés électro-optiques qui en
découlent" pourrait constituer l’une des idées directrices de ce travail. Un état de l’art est
présenté en introduction de chaque thématique.

Les PDLCs sont constitués de domaines de cristaux liquides et d’une matrice polymère
structurée. Les spécificités de ces mésophases sont rappelées dans un premier temps. Les
propriétés des monomères photoréticulables, essentielles lors de la phase d’enregistrement,
sont présentées. Finalement les modèles usuels servant à décrire les PDLCs micrométriques
sont discutés dans la perspective de leur application aux matériaux "nanogouttes".
Deux parties essentiellement expérimentales exposent ensuite les principaux résultats
obtenus au cours de cette étude.
Des matériaux au sein desquels une répartition homogène de gouttelettes a pu se développer
sont présentés. Dans ce cas, la mise en place d’un système interférométrique spécifique
autorise des mesures électro-optiques précises et permet de discuter la validité des modèles
appliqués au cas des matériaux "nanogoutte".
Une étude structurale basée sur la mise en forme d’outils théoriques absents de la bibliographie
actuelle, permet alors de souligner les premières relations entre modes d’enregistrement,
structures et propriétés électro-optiques.
Des films affichant une distribution, hétérogène en volume, de gouttelettes ont été enregistrés et caractérisés. Basés sur un mélange initial et un mode d’enregistrement nouveau, ces
composants présentent des caractéristiques nettement inférieures aux meilleures réalisations
accessibles aujourd’hui. Cependant, la prise en compte de paramètres tels que la période
d’enregistrement ou le profil temporel d’illumination en terme de réponse électro-optique,
souligne sur le plan expérimental l’existence d’une échelle de localité pour les matériaux
"nanogouttes". Ce serait alors en travaillant en dessous de cette échelle caractéristique que
la réponse non locale du matériau conduirait à des propriétés électro-optiques remarquables.
Suite à ces parties expérimentales, un support théorique est développé. Le modèle utilisé
actuellement par la communauté scientifique impliquée dans le domaine des PDLCs est
présenté. Ces équations qui permettent un très bon ajustement des courbes expérimentales
n’en restent pas moins basées sur une loi de type Fick totalement inconsistante avec les
systèmes composites. Afin d’élucider la structure fine de gouttelettes et de formaliser le
lien entre le mode d’enregistrement et l’échelle de localité des matériaux "nanogouttes",
une description basée sur le formalisme de Onsager est proposée. Un développement assez
complet des fonctions thermodynamiques est engagé et conduit à une analyse linéaire de
stabilité. Cette approche permet de dégager une vision nouvelle de la formation des matériaux
"nanogouttes" et de proposer des perspectives d’amélioration.
La dernière partie de cette étude est consacrée à la fabrication, la caractérisation et
l’incorporation dans des films "nanogouttes" d’objets nouveaux. Sorte de nanoparticules de
cristaux liquides, ces sites arti-ciels de nucléation proposent une validation expérimentale
d’hypothèses uniquement formulées dans le cadre du modèle développé au cours de cette
étude. La synthèse de type sol-gel de ces objets donne lieu à une approche nouvelle de la
caractérisation de la cinétique ainsi que du taux de greffage de nanoparticules d’oxydes.
La mise en oeuvre de ces précurseurs de croissance a finalement permis d’atteindre des
points de fonctionnement inaccessibles dans le cadre d’une séparation de phases photo-induite
classique. Ces nouveaux états des matériaux "nanogouttes" offrent ainsi des perspectives
d’amélioration encourageantes pour les caractéristiques électro-optiques de futurs composants.

titre documents joints

  • L’échelle de soi (PDF – 18 Mo)

    Thèse Vincent RACHET

    "Nanogouttes de cristal liquide
    dispersées dans un polymère"

    Vers la modélisation de la séparation de phases et
    l’amélioration des propriétés électro-optiques par
    inclusion de sites de nucléation

Notes

[1Remarque adressée par un journaliste scienti-que à l’issue de la conférence donnée par R. Feynman en
1959 à CalTech : "There’s Plenty of Room at the Bottom"

[2PDLC : Polymer Dispersed Liquid Crystal.

Partager