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Posté par Redbran le Mardi 18/04/2017 à 00:00
Retournements supramoléculaires dans les phases nématiques chirales
Les nanoparticules chirales peuvent s'auto-assembler pour former des cristaux liquides à ordre hélicoïdal qui sont souvent utilisés dans les applications optiques. Des simulations numériques de systèmes de bâtonnets hélicoïdaux révèlent que la torsion supramoléculaire peut subir des changements spontanés alors que la chiralité moléculaire reste inchangée. Cet effet suggère de nouvelles voies vers un raffinement (En informatique, le raffinement consiste à avoir une approche de conception où on affine à chaque étape le niveau de détails ; le but étant d'atteindre le niveau de granularité. On appelle aussi cette approche, « approche descendante ».) des propriétés optiques des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) chiraux.

Des théories récentes sur l'auto-organisation (L'auto-organisation est un phénomène de mise en ordre croissant, et allant en sens inverse de l'augmentation de l'entropie; au prix bien entendu d'une...) des colloïdes hélicoïdaux ont clarifié les origines de leur organisation (Une organisation est) supramoléculaire. Elles ont fourni (Les Foúrnoi Korséon (Grec: Φούρνοι Κορσέων) appelés plus communément...) une contribution importante à la compréhension de la propagation de la chiralité microscopique à des échelles macroscopiques — un problème longtemps irritant de la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens...) des cristaux liquides (Un cristal liquide est un état de la matière qui combine des propriétés d'un liquide conventionnel et celles d'un solide cristallisé. On exprime son état par le terme de mésophase.). L'usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) de simulations numériques intensives, utilisant des nano-bâtonnets hélicoïdaux, nous a permis d'étudier la relation explicite entre l'hélicité microscopique et l'hélicité supramoleculaire (cf. la figure). Les simulations nous permettent d'aller au-delà de nombreuses approximations incontournables de la plupart des théories et de tester leurs prédictions vis-à-vis du rôle des corrélations multi-hélices, des fluctuations thermiques et de l'équilibre subtil du couple qui détermine la symétrie de la structure nématique en hélice (Hélice est issu d'un mot grec helix signifiant « spirale ». Un objet en forme d'hélice est dit hélicoïdal.).


(a) Aperçu d'une phase cholestérique composée de bâtonnets hélicoïdaux. La dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son...) du système vertical (Le vertical (rare), ou style vertical, est un style d’écriture musicale consistant en accords plaqués.) correspond au pas hélicoïdal supramoléculaire (les orientations sont codées par couleurs) ; (b) Les particules se composent d'un potentiel hélicoïdal régulier (indiqué par les points verts) avec le pas p autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis, Kaupifalco,...) de la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent...) d'un cylindre (Un cylindre est une surface dans l'espace définie par une droite (d), appelée génératrice, passant par un point variable décrivant une courbe plane fermée...) (en rouge). (c) Le potentiel de champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) moyen chiral entre une paire (On dit qu'un ensemble E est une paire lorsqu'il est formé de deux éléments distincts a et b, et il s'écrit alors :) de bâtonnets dépend de l'angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) et peut présenter un seul mimimum (l = 1) ou deux minima (l = 3), selon le signe et l'amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) du pas moléculaire. (d) Pas hélicoïdal supramoleculaire donné par les simulations de Dynamique Moléculaire (Une simulation de dynamique moléculaire consiste à calculer l'évolution d'un système de particules au cours du temps. Ces simulations servent de modèles structuraux et dynamiques pour la...) en fonction de la concentration en particules. Les courbes présentent une point (Graphie) de compensation (lignes verticales) où la torsion (La torsion est la déformation subie par un corps soumis à l'action de deux couples opposés agissant dans des plans parallèles.) globale disparaît et la symétrie change.
Cet équilibre, dont dépend la symétrie du système, est riche et séduisant. Les simulations révèlent que le pas cholestérique (c'est-à-dire la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en...) sur laquelle le directeur nématique fait un tour complet), ainsi que la symétrie gauche/droite, peuvent être précisément ajustés par la concentration en particules. L'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude...) peut-être la plus remarquable est qu'une structure nématique hélicoïdale composée de nano-hélices est caractérisée par un point de compensation où la torsion supramoléculaire (mais pas la chiralité moléculaire) disparaît et la symétrie change soudainement. L'explication microscopique de ce phénomène réside dans le double minimum du potentiel effectif entre une paire de bâtonnets hélicoïdaux (cf. la figure). Comme les deux minima correspondent à des signes opposés de l'angle de torsion, le sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive allant du ralentissement du...) de la torsion supramoléculaire dépend fortement du degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines suivants :) d'alignement nématique le long du directeur nématique qui, à son tour, est gouverné par la concentration en particules.

Ces prédictions numériques devraient pouvoir s'appliquer à un large éventail de suspensions de nanoparticules hélicoïdales, telles que les nanocristaux de cellulose, les fibrilles amyloïdes et les bâtonnets viraux filamenteux. L'utilisation de ces nanoparticules pour fabriquer des matériaux fonctionnels bio-inspirés (par exemple des films de silice, des mésopores, des charbons, des résines et hydrogels) est actuellement étudiée de manière approfondie.

Référence publication:
Simulating the pitch sensitivity of twisted nematics of patchy rods
S. Ruzicka and H. H. Wensink
Soft Matter 12, 5205 (2016), doi:10.1039/C6SM00727A

Contact cherceheur:
Rik Wensink

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Source: CNRS-LPS