STRUCTURE ET PROPRIETES DES MATERIAUX CRISTAUX LIQUIDES ASDS : QUELLES APPLICATIONS POUR LES CRISTAUX LIQUIDES?

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1 ASDS : QUELLES APPLICATIONS POUR LES? D après «La physique par les objets quotidiens» C.Ray et J-C Poizat édition Belin pour la science. Doc.1. Les cristaux liquides : un étrange état de la matière L admiration de Pierre Gilles de Gennes pour le physicien Lev Landau lui a donné le goût pour la lecture de revues scientifiques russes. C est dans l une d entre elles qu il déniche un article dressant l état des connaissances sur les cristaux liquides, état de la matière qui combine les propriétés des liquides et des solides cristallisés. Le prix Nobel qui lui a été décerné en 1991 récompense ses résultats majeurs dans le domaine. Un cristal liquide comme le cholestérol peut s écouler comme un liquide, alors que les longues molécules organiques qui le composent sont toutes orientées dans la même direction. Il est possible de contrôler celle-ci localement en appliquant des champs électriques ou magnétiques, ou en changeant la température du système. Sa capacité à diffuser la lumière s en trouve alors modifiée Franck DANINOS «Pierre-Gilles de GENNES, penseur de la matière molle», La Recherche n 415, 2008 Les molécules de cristaux liquides présentent toujours une forme de bâtonnet (figure 3), composée d un cœur rigide et de deux chaines flexibles de part et d autre, qui définissent une direction privilégiée. Les différentes phases Les cristaux liquides existent sous trois états principaux appelés «phases», selon la façon dont s ordonnent les bâtonnets (figure 4). Une même molécule passe en général d une phase à une autre lors d une variation de température. L une des propriétés essentielles des cristaux liquides est leur façon très particulière d interagir avec la lumière. Vidéo : Comment fonctionne un écran LCD Ch2 ASDS Cristaux liquides- 1/5

2 Doc.2. Lumière naturelle et lumière polarisée La lumière est une onde électromagnétique. Un champ électrique vibre dans un plan perpendiculaire à la direction de propagation. Ce plan est appelé le plan de polarisation. La lumière naturelle est un mélange aléatoire et très rapidement variable d ondes polarisées dans toutes les directions. En regardant vers la source on observe un champ électrique qui oscille dans une certaine direction durant une fraction de seconde puis qui saute brusquement à une nouvelle direction aléatoire. Lorsque la lumière naturelle tombe sur un polariseur linéaire, seule la composante du champ électrique parallèle à l axe de transmission du polariseur est alors transmise. Doc.3. Les cristaux liquides des écrans LCD Une cellule de cristaux liquides est composée de cristaux liquides en phase nématique, en sandwich entre deux plaques de verre rainurées dans des directions perpendiculaires A et B. Le champ électrique d une onde lumineuse polarisée entrant dans une de ces cellules interagit avec les molécules de cristaux liquides : la direction de polarisation de l onde suit l orientation des molécules et pivote progressivement d un angle maximal de 90. Mais les molécules de cristaux liquides sont polaires et on peut faire varier leur orientation à l aide d un champ électrique: ainsi, si on applique une tension électrique constante entre les deux plaques rainurées de la cellule, les bâtonnets de cristaux liquides vont s orienter dans le champ électrique alors créé pour se retrouver tous perpendiculaires aux plaques. La direction de polarisation de la lumière entrante n est alors plus modifiée. En éclairant une cellule de cristaux liquides en configuration «twisted nematic», placés entre deux polariseurs croisés, on obtient un interrupteur de lumière. Hors tension, la direction de polarisation tourne de 90 et la lumière peut traverser le second polariseur. Sous tension, la direction de polarisation reste inchangée et la lumière ne peut pas passer. Cet «interrupteur optique» est la cellule élémentaire d un écran LCD (Liquide Crystal Display) (TV, ordinateurs ): ces écrans sont divisés en pixels (points de l écran (Picture Elements)), composés chacun de trois sous-pixels. Chaque souspixel est constitué de plusieurs éléments : deux polariseurs de directions croisées prenant en sandwich une cellule de cristaux liquides, deux électrodes conductrices transparentes et un transistor. Le transistor a pour fonction de contrôler la tension appliquée à chaque sous-pixel, afin de l allumer ou de l éteindre plus ou moins. La lumière sortant du deuxième polariseur du sous-pixel traverse enfin un filtre coloré (Rouge, Vert ou Bleu). L ensemble de ces sous-pixels R,V,B plus ou moins lumineux permet de restituer la couleur de l image sur l écran. Ch2 ASDS Cristaux liquides- 2/5

3 Doc.4. Les cristaux liquides des thermomètres frontaux La bande d un thermomètre frontal est constituée de cellules sur lesquelles sont esquissés des nombres contenant des mélanges de cristaux liquides de composition variable. Chaque cellule porte un nombre «36», «37»... Lorsque le corps en contact avec le thermomètre est à 38 C, la cellule «38 «devient colorée (elle renvoie jusqu à notre œil une des composantes de la lumière qui l éclaire), les autres cellules restent noires. La bande sensible du thermomètre est composée de cristaux liquides «cholestériques». D un plan à l autre (voir ci-contre), la direction des molécules varie d un angle fixe. Le «pas» désigne la distance L entre les plans les plus proches où les molécules pointent dans une direction commune. Lorsqu une onde lumineuse monochromatique de longueur d onde λ se dirige vers les cristaux liquides, elle est réfléchie par les différents plans, et les ondes lumineuses réfléchies interfèrent. Quelle que soit la température, on peut obtenir : - des interférences constructives s il existe un entier k tel que 2 n L= k λ, où n=1,50 désigne l indice de réfraction moyen du milieu. La cellule se colore alors de la couleur correspondant à la longueur d onde. - des interférences destructives : l intensité lumineuse réfléchie est alors nulle. La cellule reste noire. L Si la bande sensible du thermomètre est un mélange de deux cristaux liquides (par ex. a et b ), le pas L dépend de la composition du mélange (voir ci-contre le cas du mélange (a b ) à 37 C). NB. Pour le mélange (a b ), L ne peut varier qu entre 320 nm et 460 nm Le pas L dépend aussi de la température T. Par exemple, quelle que soit la composition du mélange (a b ), L(40 C) = 0,74 L(37 C) QUESTIONS : Les cristaux liquides : un étrange état de la matière 1. Pourquoi les cristaux liquides se nomment-ils ainsi? Les cristaux liquides constituent un état intermédiaire de la matière qui combine les propriétés des liquides et d un solide cristallisé. (Doc. 1) 2. Quel physicien français a reçu le prix Nobel pour ses travaux sur les cristaux liquides? Pierre-Gilles de Gennes a reçu le prix Nobel en 1991 pour ses travaux sur les cristaux liquides. (Doc. 1) 3. Donner la formule topologique du méthoxy-4 benzylidène butyl-4 aniline (MBBA). Montrer que cette molécule MBBA correspond aux critères de forme et de polarité des cristaux liquides. La molécule doit être de forme allongée. Elle doit être beaucoup plus longue que large afin qu elle puisse s aligner parallèlement. Elle doit être rigide en son centre, et il est favorable qu'elle soit flexible en ses extrémités. Ch2 ASDS Cristaux liquides- 3/5

4 Les cycles aromatiques contribuent à la rigidité de la molécule. Les molécules, globalement neutres, peuvent posséder un moment dipolaire ce qui permet de les assimiler à un dipôle électrique permanent. La liaison C O est polarisée. Etude des écrans LCD 4. Quel type de cristaux liquides utilise-t-on dans cette application? Une cellule de cristaux liquides est composée de cristaux liquides en phase nématique. 5. Quel est le phénomène lumineux mis en jeu? Le phénomène mis en jeu est la polarisation de la lumière. 6. Expliquer en quelques phrases comment on peut faire prendre des couleurs variées au pixel d un écran LCD. Sous l effet de la charge électrique, les cristaux liquides changent de direction. Par conséquence, la lumière traverse le cristal et le pixel est allumé. Un filtre de couleur va convertir cette lumière blanche en composantes additives rouge, vert et bleu. Dans un écran LCD, l intensité lumineuse des pixels est régulée par les cristaux liquides qui s orientent, sous l action d une tension électrique, de telle sorte que la lumière initialement polarisée soit en mesure d éclairer plus ou moins un filtre coloré (luminophore) présent en sortie. Si les cristaux liquides s orientent dans le sens de propagation de la lumière, cette dernière n est pas transmise. Si les cristaux liquides s orientent perpendiculairement au sens de propagation de la lumière, celle-ci est transmise. En agissant de cette façon sur l orientation des cristaux liquides, on peut faire varier l intensité de la lumière transmise. On peut ainsi moduler l intensité de chacun des luminophores RVB présents. Lien animation pour comprendre le fonctionnement d un écran LCD : Vidéo : Etude des thermomètres frontaux Supposons que les cellules d un thermomètre frontal soient constituées du mélange (a b ) de cristaux liquides. Supposons que la lumière parvenant sur le thermomètre soit modélisable par une lumière monochromatique de longueur d onde λ = 500 nm (lumière bleue). 7. Quel type de cristaux liquides utilise-t-on dans cette application? Les cristaux liquides «cholestériques» sont utilisés dans les thermomètres frontaux. 8. Quel phénomène lumineux est mis en jeu? 9. Déterminer l unique valeur de L permettant à une cellule constituée du mélange (a b ) de se colorer en bleu. D après le doc. 4, la cellule se colore de la couleur correspondant à la longueur d onde lorsque : 2 n L = k d où L = k / 2 n A.N. = 500 nm n = 1,50 L = 500 / (2 x 1,50) = 167 k nm 10. Déterminer les deux compositions possibles du mélange (a b ) qu il faut utiliser pour la cellule 37 pour qu elle puisse apparaître bleue à 37 C. Le doc. 4 indique que 320 nm < L < 460 nm pour le mélange (a b ), or L = 167 k donc on a une seule possibilité : k = 2 et L = 334 nm D après le graphique pour L = 334 nm, on peut avoir deux compositions différentes : a = 41 % ou a = 53 %. Ch2 ASDS Cristaux liquides- 4/5

5 11. L indication «40» doit apparaître à 40 C sans que l indication «37» ne soit visible. Quelle composition du mélange (a b ) faut-il utiliser dans la cellule «40»? Pour le mélange (a b ) : L(40 C) = 0,74 x L(37 C) Soit L(37 C) = L(40 C) / 0,74 Or le «40» apparaitra si L(40 C) = 334 nm donc L(37 C) = 450 nm Cela correspond à une composition unique du mélange (a b ) : 34 % de a Ch2 ASDS Cristaux liquides- 5/5