Nématiques à molécules courbées possédant une élasticité négative et une modulation spontanée à pas courts – BESTNEMATICS

Avec les progrès constants des technologies de l'information et de la communication, d'énormes volumes de données doivent être collectés et transformés pour être finalement délivrés à l'utilisateur sous la forme d’information visuelle. Cette dernière étape nécessite des dispositifs d'affichage de haute résolution qui constituent un marché de plusieurs milliards d'euros, dominé par les écrans à cristaux liquides (CL). Le fonctionnement de ces écrans repose sur l’application d’un champ électrique en phase nématique (N) ou nématique chirale (N*) avec des temps de réponse assez lents (> 1 ms). Une commutation plus rapide serait une percée très importante pour l’élaboration d’écrans (écrans 3D) et de composants (commutateurs, coupleurs, filtres) plus performants.
Le présent projet est basé sur les phases CL récemment découvertes, semblables aux phases nématiques habituelles, mais spontanément déformées à l'échelle de quelques nanomètres, du fait de la forme courbée des molécules. Ces phases sont fluides, comme N et N*, mais possèdent une structure plus rigide et des temps de relaxation ultra-courts (< 1 µs), ouvrant la voie à de nouveaux types de dispositifs électro-optiques à réponse rapide. Des observations récentes confirment que les molécules à cœurs courbées présentent une nouvelle phase nématique, la phase nématique twist-bend, NTB. Contrairement à la phase N uniforme, le directeur de la phase NTB est spontanément déformé, les molécules suivant une hélice conique avec un pas très faible. Cette organisation chirale a lieu de façon tout à fait remarquable même pour des molécules non chirales, avec des domaines de chiralités opposées dans ce cas. Cette structure et les propriétés principales de la phase NTB ont été prédites en 2001 en utilisant un modèle simple de Landau. Puisque les molécules à cœurs courbées courbent le champ du directeur autour d'elles, la constante élastique de courbure K3 devrait diminuer et pourrait même devenir négative, conduisant à un état spontanément distordu. Cependant, une courbure pure ne peut pas remplir continûment l’espace et des distorsions additionnelles de torsion ou de divergence sont induites, ce qui conduit aux phases prédites: la twist-bend NTB ou la splay-bend NSB, voire des structures plus complexes déformées à 2D ou à 3D.
Dans ce projet, nous étudierons théoriquement et expérimentalement les propriétés de ces nouvelles phases nématiques. Le modèle à élasticité négative sera étendu, en tenant compte de l'ancrage de surface et des champs appliqués. Nous proposerons un modèle élastique « à gros grains », par analogie avec les mésophases smectiques. Expérimentalement, nous construirons les diagrammes de phases de nouvelles molécules (déjà existantes ou synthétisées au cours du projet) afin d’identifier les phases NTB et NSB (non encore observée). Les transitions de phases, induites par la température ou par l’application de champs externes, seront étudiées et reliées à la structure moléculaire. Nous effectuerons des expériences de diffusion de rayons X afin de confirmer la nature nématique des phases NTB et NSB et d’étudier l’ordre à courte portée. Nous utiliserons des techniques optiques et électriques pour mesurer les propriétés physiques importantes, telles que le paramètre d'ordre et la période de ces nouvelles phases.
En particulier, nous caractériserons et optimiserons les propriétés ayant un impact technologique direct, comme les constantes élastiques et diélectriques, la biréfringence, les temps de relaxation et l'énergie d'ancrage. Nous étudierons en détail les nouveaux effets électro-optiques dans les phases NTB et NSB afin de comprendre leurs mécanismes physiques. Enfin, la société EVOSENS, une PME partenaire du projet, va explorer des applications technologiques potentielles en fabriquant des démonstrateurs de dispositifs nématiques rapides pour les industries d’affichage et de télécommunication.