[News] Retournements supramoléculaires dans les phases nématiques chirales

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Redbran
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[News] Retournements supramoléculaires dans les phases nématiques chirales

Message par Redbran » 17/04/2017 - 23:00:17

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 des propriétés optiques des matériaux chiraux.

Des théories récentes sur l’auto-organisation des colloïdes hélicoïdaux ont clarifié les origines de leur organisation supramoléculaire. Elles ont fourni une contribution importante à la compréhension de la propagation de la chiralité microscopique à des échelles macroscopiques — un problème longtemps irritant de la physique des cristaux liquides. L’usage 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.


(a) Aperçu d’une phase cholestérique composée de bâtonnets hélicoïdaux. La dimension du système vertical 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 de la surface d’un cylindre (en rouge). (c) Le potentiel de champ moyen chiral entre une paire de bâtonnets dépend de l’angle et peut présenter un seul mimimum (l = 1) ou deux minima (l = 3), selon le signe et l’amplitude du pas moléculaire. (d) Pas hélicoïdal supramoleculaire donné par les simulations de Dynamique Moléculaire en fonction de la concentration en particules. Les courbes présentent une point de compensation (lignes verticales) où la torsion 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 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 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 de la torsion supramoléculaire dépend fortement du degré 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

Source: CNRS-LPS

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