Les cristaux liquides cholestériques doivent leur nom à leur découverte au XIX^ème siècle dans des substances naturelles dérivées du cholestérol. On les trouve : dans les organisations de l'ADN, les os, l'artériosclérose, la carapace de certains crustacés et insectes, l'écaille des poissons, la paroi cellulaire des plantes, etc. Ce ne sont pas seulement des filtres de couleur, comme les pigments, mais aussi des réflecteurs et des polariseurs. Leurs molécules allongées s'organisent selon une hélice qui a le pouvoir de réfléchir la lumière, la couleur réfléchie dépendant de l'amplitude du pas de vis. Comme cette dernière varie avec la température, la pression et l'angle d'observation, on utilise les cholestériques au sein de capteurs (détection d'une tumeur, points chauds d'un circuit électronique, pression de la dentition) ou de motifs à couleur changeante suivant l'inclinaison (billets de banque).

La lumière réfléchie par un cholestérique est polarisée circulairement et le sens de cette polarisation dépend du sens de l'hélice. Supposons que l'on envoie de la lumière polarisée circulaire gauche sur un cholestérique dont le sens de l'hélice est gauche également. 100% de cette lumière sera alors réfléchie. A contrario, 100% sera transmis (c'est-à-dire traversera le cristal liquide sans être réfléchie) si l'hélice est droite. La lumière ambiante n'étant pas polarisée, son champ électrique se déplace dans toutes les directions de l'espace, et la structure en hélice décomposera la lumière en deux ondes, l'une réfléchie et l'autre transmise. Un cholestérique ne réfléchira donc au maximum que 50% de la lumière ambiante.

Des chercheurs du Centre d'élaboration de matériaux et d'études structurales du CNRS de Toulouse viennent de dépasser cette limite. Utilisant la particularité qu'ont certains cholestériques de changer de sens d'hélicité avec la température, ils leur ont ajouté quelques pourcents d'une substance capable de former un réseau de polymère lorsqu'elle est exposée à la lumière ultraviolette. Cette transformation permet de gélifier le cristal liquide alors que l'hélice cholestérique a un pas et un sens déterminés. Ceci aboutit à deux populations de molécules : celles qui sont liées au réseau polymère ainsi formé in situ qui garde donc en mémoire la structure existante au moment de la gélification et celles, plus éloignées de la surface du réseau, libres, qui gardent la propriété de changer de structure quand la température change. Chaque population de molécule apportant sa contribution, cette méthode permet de dépasser le seuil habituel de lumière réfléchie, typiquement 80% dans les résultats reportés ici dans Nature Materials.

Cette voie d'élaboration originale, qui ne dépend pas du choix de la couleur de réflexion, a été mise en évidence dans le domaine infra‑rouge (de toute première importance pour la régulation thermique, les télécommunications et la furtivité). Un tel résultat permet d'envisager la possibilité de moduler et réfléchir la lumière sur une plus grande échelle, et d'offrir ainsi un plus grand nombre de niveaux de réflectivité. Les applications concernent le filtrage aussi bien passif qu'actif (quand la réflexion peut être modifiée par une tension électrique), tels les écrans plats réflecteurs sans polariseurs ou de futurs vitrages 'anti-canicule', permettant de gérer la lumière et la chaleur solaires.

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© CNRS-CEMES 2006

Le scarabée cétoine doit ses belles couleurs irisées à l'organisation en phase cristal liquide cholestérique des molécules de chitine de la partie supérieure de sa carapace.

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© CNRS-CEMES 2006

Le dépassement du seuil de réflexion des cholestériques résulte de la mise en mémoire du sens de l'hélicité par ce réseau périodique de fibrilles de polymère formé dans le volume même du cristal liquide (échelle 1 micron).

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Notes :

Les images sont disponibles à la photothèque du CNRS.

Références :

Going beyond the reflectance limit of cholesteric liquid crystals, Michel Mitov and Nathalie Dessaud, Nature Materials, 9 avril, 2006.
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