Enquête sur les structures chirales dans les cristaux liquides

Les structures chirales se retrouvent partout, des petites molécules aux énormes corps cosmiques. L'étude de la perte de la symétrie miroir de ces structures est un domaine de recherche important et joue un rôle clé dans de nombreuses applications pratiques. Par exemple, certaines molécules chirales peuvent être dangereuses si elles ne sont pas sous la bonne forme. De plus, la façon dont ces structures sont formées peut grandement influencer leur utilisation dans divers matériaux et technologies. Souvent, les scientifiques utilisent des forces externes, comme la pression ou le confinement, pour manipuler ces structures.

#Les Cristaux liquides comme système modèle

Les cristaux liquides (CL) sont un super exemple pour étudier les structures chirales. En particulier, un type connu sous le nom de cristaux liquides nematiques chiraux, ou phase cholestérique, a été largement étudié. Ces matériaux sont courants dans la nature et ont de nombreuses applications. Dans la phase cholestérique, les molécules se tordent autour d'un axe central, définissant une direction spécifique appelée « main », qui peut être droite ou gauche. La façon dont ces structures se tordent peut dépendre des types et des quantités de molécules différentes utilisées dans leur création.

Les conditions dans lesquelles ces cristaux liquides sont placés, y compris la façon dont ils sont Confinés dans un espace, peuvent affecter de manière significative leurs propriétés chirales. Par exemple, lorsqu'ils sont confinés, ils peuvent former des structures surprenantes qui diffèrent de ce qui est généralement trouvé dans les matériaux en vrac.

#Effets du confinement sur les structures chirales

Le confinement peut entraîner divers effets, comme un changement dans le twist attendu de la structure ou même la création de formes chirales à partir de matériaux qui ne sont normalement pas chiraux. De plus, le confinement peut mener à plusieurs états stables différents qui peuvent exister simultanément, même s'ils ne sont pas les plus favorables sur le plan énergétique.

Cette étude se concentre sur la façon dont les cristaux liquides nematiques chiraux peuvent présenter une structure instable qui se tord dans la direction opposée par rapport au matériau en vrac. En utilisant un mélange de cristaux liquides chiraux et non chiraux, les chercheurs ont examiné comment l'agencement moléculaire change dans et autour des Gouttes placées sur des surfaces spécialement traitées.

#Matériaux et configuration expérimentale

Le cristal liquide utilisé dans ces expériences était une solution faite à partir de Sunset Yellow FCF (SSY) combinée avec du sulfate de brucine heptahydraté (BSH), qui sert d'additif Chiral. La solution a été mélangée pour créer une concentration spécifique, soit sans BSH pour des cristaux liquides achiraux, soit avec des quantités variables de BSH pour des variantes chirales.

Pour réaliser les expériences, des lames de verre et des lamelles spécialement préparées ont été recouvertes d'une fine couche de parylène, qui sert de substrat pour les cristaux liquides. De petites gouttes de la solution de cristal liquide ont été placées sur ces lames et ensuite couvertes pour créer un environnement scellé afin d'éviter l'évaporation.

#Observations visuelles

L'expérience a utilisé un microscope optique polarisé pour observer les comportements et textures des cristaux liquides pendant leur transition à travers différentes phases. En ajustant la température, les chercheurs ont pu amener les cristaux liquides dans un état où ils coexistaient sous différentes formes, leur permettant d'observer le comportement de gouttes isotropiques entourées par la phase liquide cristalline nematique.

Sous le microscope, l'agencement des cristaux liquides affichait des motifs en spirale, même lorsque le matériau de base lui-même n'était pas chiral. Ce phénomène était particulièrement intrigant, car il suggérait que même des matériaux achiraux peuvent montrer des caractéristiques de structures chirales dans des conditions spécifiques.

#Analyse des textures en spirale

Les chercheurs ont classé les textures en spirale observées en fonction de leur main et ont calculé la probabilité de chaque type d'apparition. En l'absence d'additifs chiraux, les motifs en spirale apparaissaient avec des probabilités égales de formes droites et gauches. Cependant, à mesure que la concentration de l'additif chiral BSH augmentait, la préférence pour une main sur l'autre devenait évidente.

Par exemple, avec l'ajout de 0,4 % de BSH, le système montrait une forte préférence pour les Spirales droites, qui constituaient près de 90 % des motifs observés. Il était surprenant que même lorsqu'une main majoritaire émergeait, certaines spirales gauches apparaissaient toujours, indiquant une complexité plus profonde dans le comportement de ces matériaux.

#Modélisation théorique

Un modèle théorique a été développé pour expliquer les comportements observés. Il considérait l'agencement des structures moléculaires autour des gouttes isotropiques et comment elles se tordaient en raison de diverses contraintes. Des aspects du modèle se concentraient sur la façon dont les conditions de surface et les agencements spatiaux influençaient les orientations moléculaires.

Grâce à des calculs minutieux, l'équipe a pu simuler les profils énergétiques de ces configurations de cristaux liquides. Les résultats indiquaient que même des configurations qui étaient énergétiquement défavorables pouvaient encore exister en tant qu'états stables, soulignant le rôle du confinement et de l'élasticité dans la détermination des propriétés de la structure finale.

#Structures chirales dans différentes configurations

L'étude a également examiné les conditions où des gouttes nematiques entouraient des phases isotropiques. Dans ces conditions, les chercheurs ont observé que la surface de la goutte permettait des configurations homochirales, même avec des bases achirales. Cela allait à l'encontre des observations précédentes, suggérant que les matériaux pouvaient toujours afficher des comportements complexes malgré leurs conditions de départ.

Les résultats ont révélé que l'agencement de ces matériaux résulte d'un équilibre de facteurs énergétiques, les énergies de torsion, de flexion et de séparation interagissant toutes. La partie intéressante des résultats était qu même lorsque des dopants chiraux étaient ajoutés, le système pouvait toujours exhiber la main défavorisée dans des configurations spécifiques.

#Conclusion

Cette recherche met en lumière la nature complexe des structures chirales, en particulier dans les cristaux liquides. L'interaction entre le confinement, l'élasticité et l'introduction de dopants chiraux crée un environnement riche pour étudier le comportement de ces matériaux. Il est crucial de comprendre le paysage énergétique lorsqu'on essaie de contrôler la chiralité dans les matériaux pour des applications en technologie, optique et science des matériaux.

À l'avenir, cette connaissance a des implications potentielles dans divers domaines, surtout dans le développement de matériaux où la chiralité joue un rôle clé. La capacité à manipuler et à prédire les arrangements chiraux ouvrira de nouvelles voies dans la conception de matériaux fonctionnels, contribuant aux avancées dans de nombreux domaines scientifiques et techniques.