La promesse des cristaux liquides

02 février 1974
06m 57s
Réf. 01439

Notice

Résumé :

En 1974, les cristaux liquides, nom donné à des états particuliers de la matière, sont encore mal connus. Une application médicale, la thermographie en plaques, permet de repérer les tumeurs cancéreuses.

Type de média :
Date de diffusion :
02 février 1974

Contexte historique

L'histoire des "cristaux liquides" est partie prenante de l'histoire de la science des cristaux (ou cristallographie). L'un des premiers traités scientifiques consacrés aux cristaux, écrit par Romé de l'Isle, a pour titre : Essai de cristallographie ou Description des figures géométriques propres à différents corps du règne minéral (1772). L'étude des roches a donc fait appel très tôt à celles des propriétés géométriques pour que les minéralogistes puissent les nommer et les classer. C'est à René Just Haüy (1743-1822) qu'il revient de montrer que les formes extérieures des cristaux n'est qu'une conséquence, spectaculaire, de l'arrangement régulier de la matière dans les solides, qu'il caractérise sous le nom d' "état cristallin" (De la structure considérée comme caractère distinctif des minéraux, 1793).

L'architecture géométrique de l'état cristallin a été ainsi imaginée et décrite en détail bien avant que ne se développent les moyens d'étude de la matière à l'échelle atomique. Au cours du XIXe siècle, les physiciens s'intéressent particulièrement aux propriétés optiques des cristaux. C'est en expérimentant sur le cholestérol, substance extraite des végétaux, que des biologistes remarquent certaines qualités optiques assez proches des celles des cristaux, qui diffractent la lumière blanche : en chauffant ou en refroidissant des esters de cholestérol, ils observent en effet des couleurs irisées. L'un de ces biologistes, Friedrich Reitnizer, écrit à un physicien, Otto Lehmann, en 1888 : " En refroidissant [cette matière], on voit apparaître des couleurs bleue et violette qui s'estompent rapidement en laissant une substance opaque et toujours fluide ". Otto Lehmann s'intéressait à la modification de la structure cristalline en fonction de la température, qu'il étudie grâce au microscope polarisant jusqu'alors utilisé uniquement en biologie. Il écrit en 1889 un article, " Sur les cristaux liquides ", qui baptise cette nouvelle matière aux propriétés très particulières. Pour ce physicien de la chimie, ce sont bien la viscosité et surtout les qualités optiques de cette matière étrange - la biréfringescence, propriété qu'ont certains corps transparents de diviser en deux le rayon lumineux qui les pénètre, caractéristique des cristaux - qui déterminent le nom de " cristaux liquides ". Plus tard, ayant découvert de nouvelles substances avec d'autres propriétés, il forge un autre nom : celui de " liquides cristallins ", moins visqueux que les précédents. Il fallut de nombreuses années au savant pour montrer qu'il s'agissait d'un seul et même état de la matière.

Le nom de " cristaux liquides " a été conservé, en dépit de la confusion qu'il induit - piège dans lequel tombe le commentateur du document - selon laquelle les " cristaux liquides " seraient des états mêlés entre liquide et solide. Georges Friedel (1865-1933) revoit cette dénomination dans un article de 1922 : " Les Etats mésomorphes de la matière ", du grec mesos, intermédiaire, et de morphê, forme. " Beaucoup de gens, écrit-il, s'imaginent que les corps si curieux sur lesquels Lehmann a eu le grand mérite d'attirer l'attention, mais qu'il a eu tort de mal nommer, ne sont autre chose que des substances cristallisés, différant simplement des [cristaux solides] par leur degré plus ou moins grand de fluidité. En fait, il s'agit de tout autre chose d'infiniment plus intéressant que ne seraient de simples cristaux plus ou moins fluides ". Pour lui, en fait, les " états mésomorphes " qu'on est parvenu à identifier sont aussi différents - " discontinus " - des autres états de la matière que l'état solide de l'état liquide. Dès lors, il propose de les caractériser. " J'appellerai smectiques (du grec smecma, savon) les formes, corps, phases, etc. du premier type, parce que les savons, dans les conditions ordinaires de température, sont de ce groupe (…). J'appellerai nématiques (du grec nêma, fil) les formes, phases, etc. du second type, à cause des discontinuités linéaires, contournées comme des fils, qui sont leurs caractères saillants ". Au sein de cette dernière forme nématique, il distingue un type " cholestérique ", aux propriétés physiques légèrement différentes du type nématique proprement dit, mais qui ne constitue pas un état de la matière différent en soi. Ainsi, Georges Friedel parvient-il, au terme d'une longue période de scepticisme, à classer ce nouvel état de la matière, la " phase mésomorphe ".

Après une période de désintérêt entre 1930 et 1960, ce sont les applications des cristaux liquides qui relancent les études fondamentales sur cet objet particulier. En effet, dès le début des années 1960, les industriels pensent utiliser les propriétés optiques des cristaux liquides pour réaliser des afficheurs. Sous l'effet d'un champ électrique, qui provoque des turbulences dans la matière, une cellule contenant un nématique passe d'un état transparent à un état laiteux, qui diffuse la lumière. Sur ce principe, George Heilmeier et ses collaborateurs des laboratoires RCA mettent au point une sorte de prototype de la montre-bracelet. Après plusieurs années de recherche, la " révolution dans la technologie de l'affichage " (M. Mitov) se produit entre 1970 et 1974, années pendant lesquelles les recherches stabilisent les matières et permettent de les utiliser avec un très faible courant électrique. C'est en 1974 que le premier manuel sur cette question de physique de la matière paraît : The Physics of Liquid Crystals, de Pierre-Gilles de Gennes et de Jacques Prost. Il inaugure une période active de recherche fondamentale.

Aujourd'hui encore, les cristaux liquides occupent une place de choix pour l'affichage. Il n'existe pas d'autre technologie d'affichage qui soit porteuse d'un tel potentiel en termes de compacité, de faible consommation d'énergie et de souplesse d'utilisation ; elle est surtout connue aujourd'hui sous l'appellation anglaise de Liquid Crystal Display (LCD). Outre l'affichage, qui permet aujourd'hui de faire des écrans couleur très rapides, les applications de la connaissance des états mésomorphes sont très nombreuses, en cosmétologie, dans les télécommunications, ou dans l'industrie du vêtement. Ces applications utilisent les multiples propriétés des cristaux liquides : imperméabilité, résistance, sensibilité à la température ou à la pression, etc. Aujourd'hui, la bonne compréhension des phases mésomorphes permet d'envisager des prolongements en biologie cellulaire et moléculaire et en médecine, car elles caractérisent certains types de molécules à la température ambiante ou induisent des pathologies.

Bibliographie :

Michel Mitov, Les Cristaux liquides, Paris, Puf, 2000.

Christelle Rabier

Éclairage média

" Homo sapiens " est un nouveau magazine de vulgarisation de FR3, dont la durée de vie fut brève (environ un an entre 1975 et 1975). La 3e chaîne, créée en 1972, est en couleur. Pour ce premier numéro, le documentaire utilise, avec ce sujet sur les cristaux liquides, toutes les possibilités de l'image en couleurs, en particulier la mise en scène de l'irisation qui les caractérisent : cette visualisation serait impossible avec une image en noir et blanc. En dépit de cette nouveauté formelle, le magazine de vulgarisation utilise des rhétorique de l'image mises au point plus tôt, comme les vues de laboratoire comme illustration des descriptions scientifiques, des images documentaires (ici des films de changement d'état de la matière) ainsi que des images animées pour expliquer le sens physique. L'usage d'une musique expérimentale souligne la nature du sujet traité : les cristaux.

Christelle Rabier

Transcription

journaliste
C'est un porte-clés, un gadget, mais sa matière aux couleurs changeantes n'est ni un solide, ni un liquide, ni un gaz. Alors ? Et bien, c'est un cristal liquide. Deux mots hier qui étaient antinomiques, une notion qui aujourd'hui encore doit faire sursauter bon nombre de physiciens ou de chimistes. Ici au laboratoire de physique et d'électronique appliquée, comme un peu partout dans le monde, on explore cet état particulier de la matière, connu que depuis quelques années, bien qu'il existe partout dans tout ce qui est vivant. Ici, les cristaux liquides ont cessé d'être des monstres de la physique et ils promettent d'être beaucoup plus qu'une curiosité de laboratoire. Ce n'est donc pas un vrai liquide ni un vrai solide qui tourbillonne dans ce ballon. Cet état visqueux propre aux cristaux liquides est fragile. Si on les refroidit comme ici, ils redeviennent solides et perdent leur qualité optique, ils ne décomposent plus la lumière. Ce qui leur permettait de produire ces effets de couleur. Inversement, si on les réchauffe comme ici, ils redeviennent liquide et là encore ils perdent leur qualité. Cette tâche noire qui grandit est la marque de cette liquéfaction.
Jean Tricoire
Il y a deux vaisseaux linéaires au niveau du pédicule externe qui sont tout à fait normaux. Levez le bras, tournez, le pédicule externe.
journaliste
A l'hôpital Bobigny près de Paris, le professeur [Tricoire] a déjà trouvé pour les cristaux liquides une application d'une importance considérable. La détection immédiate des cancers du sein. Cette découverte qui va sans doute révolutionner un secteur de la médecine est né modestement ici dans une salle de bain désaffectée de l'hôpital franco-musulman. C'est là, en effet, que le professeur Tricoire confectionne lui-même le matériau qui lui permettra d'interroger l'intérieur du corps humain. La technique paraît simple, après avoir tendu une feuille de milar, ce plastique qui sert entre autre à faire entre autre la combinaison des astronautes, il pulvérise une fine couche de cristal liquide. Il restera à tendre cette pellicule sur un cadre, comparable un peu à celui d'une ardoise d'écolier. Cela formera une sorte de plaque que l'on appliquera contre la partie du corps à examiner. D'où le nom de cette technique, la thermographie en plaque. Une technique dont le professeur Tricoire nous explique le principe.
Jean Tricoire
Si j'applique ma main derrière la plaque, des couleurs apparaissent qui sont exactement, qui traduisent exactement, la température de ma main. Ces couleurs vont du marron clair au violet très foncé dans une gamme de 1° et demi, avec une précision du 10ème de degré.
journaliste
Certes la couleur lui permet de déceler ce qui est chaud et ce qui l'est moins, ainsi une tumeur peut apparaître chaude et une cicatrice froide. Mais le principal intérêt de la méthode est qu'elle fait apparaître, ici en bleu, la trace des vaisseaux sanguins qui eux sont chauds. Si le tracé est modifié et que leur cours converge vers une zone, c'est qu'il y a là une tumeur et qu'elle est cancéreuse. A l'inverse, si les vaisseaux s'en écartent, c'est que la tumeur est bénigne. Le professeur Tricoire a décelé ainsi des cancers de quelques millimètres seulement même s'ils étaient masqués dans des tumeurs bénignes beaucoup plus grosses. En plus, ce matériel est simple, peu coûteux et d'un emploi facile. La thermographie en plaque permet aussi un bon contrôle après une opération. Voici une image prise après l'ablation d'une tumeur cancéreuse. Sur la droite, la ligne brute oblique représente la cicatrice, elle est froide mais dans tout le reste de l'image, on ne voit plus trace de tumeur. En fait, si on sait tirer parti des cristaux liquides, on ne sait pas encore exactement ce qu'ils sont. Schématiquement, si on chauffe l'état solide que voici, on a le cristal liquide smectique assez ordonné comme le solide, puis un état plus désordonné bien que parallèle, l'état nématique avant d'arriver au désordre du liquide. Dans d'autres cas, partant du solide encore, en chauffant on a d'abord l'état smectique comme précédemment et puis un état tout différent, plus complexe, l'état cholestérique où les molécules tournent sur elles-même, avant d'arriver encore au désordre du liquide. Ces données théoriques nous allons les voir plus concrètement sous l'objectif de ce microscope. Tout d'abord, voyons les cristaux liquides smectiques, ceux qui sont proches des solides. Vu au microscope, voici le paysage. Ensuite les nématiques, ils sont plus chauds, ils s'agitent plus mais toujours dans la même direction, plus exactement parallèles à la même direction. C'est pour cela qu'ils seront biréfringents comme un cristal de feldspath. En faisant tourner la préparation, nous aurons ainsi des effets de biréfringences, des effets de polarisation, qui nous valent ces changements de couleurs. Voici encore un autre aspect optique de cette biréfringence. A l'inverse quand on refroidit, si par exemple, on part comme ici de l'état nématique, on va arriver peu à peu à un état smectique, glissant insensiblement vers un état plus calme, proche de l'état solide, un état finalement moins spectaculaire.

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