Cristaux liquides cholestériques bio-inspirés aux propriétés optiques inédites – COLEOPTIX

Un cristal liquide cholestérique (CLC) réfléchit sélectivement la lumière de par sa structure hélicoïdale. Les implications des CLCs en optique les plus ambitieuses restent encore à venir. Elles dépendront de la parfaite connaissance des mécanismes fondamentaux qui en sont à l’origine. La carapace des coléoptères présente une organisation cholestérique des macromolécules de chitine. Parmi les hypothétiques fonctions biologiques qui sont avancées figure la communication optique. Nous allons nous inspirer des organisations cholestériques de ces carapaces pour élaborer par voie physique des CLCs à torsion complexe. A la place des CLCs à pas constant, qui sont la norme dans les matériaux artificiels, nous nous focaliserons sur les gradients de pas. Ils sont au cœur des compétences de l’équipe du coordinateur (CEMES Toulouse) que son évolution thématique amène vers les CLCs bio-inspirés. Nous y ajoutons des CLCs à orientation variable et à double hélicité.
Cet ensemble de matériaux chiraux novateurs permettra au partenaire n°2 (INPHYNI Nice) de disposer de films optiques qui ne sont pas réalisables par d’autres moyens, et d’être en mesure d’explorer de nouvelles propriétés chiro-optiques : (1) compression d’impulsions femtosecondes avec les gradients de pas, (2) imagerie multi-spectrale en exploitant la versatilité et l’accordabilité des gradients de pas, (3) contrôle de la phase de Berry basé sur l’orientation variable, (4) contrôle 3D de la phase optique en exploitant l’orientation variable couplée à un gradient de pas, et (5) mélange à deux ondes dans un CLC à double hélicité. Ce set de cinq campagnes d’étude permettra d’optimiser le sondage de propriétés optiques inédites. Elles sont les briques élémentaires de notre approche fondamentale, laquelle est vitale avant d’envisager des applications dictées par les débouchés fondamentaux.

Par la complémentarité des partenaires, le programme de recherche est l’alliance de l’élaboration de gradients de pas inspirés des carapaces à des investigations optiques jamais réalisées sur ces structures chirales complexes. Chaque partenaire apporte des compétences de pointe dans son domaine : la bio-inspiration et l’élaboration de matériaux cholestériques atypiques au CEMES, et les études optiques à l’INPHYNI.

Sont attendues au titre des réalisations et résultats escomptés: (1) l’élucidation des réponses optiques (notre set) des CLCs à gradient de pas, à orientation changeante et à double hélicité, alors que ces réponses n’ont été étudiées, en partie, que pour des CLCs à pas et structure monotones et par un tout petit nombre d’équipes; (2) la réalisation de films optiques au titre de systèmes-modèles pour les opticiens du domaine; (3) la suggestion d’applications au sujet desquelles il n’est pas possible à cet instant de spéculer en l’absence de toute étude fondamentale ; (4) indirectement peut-être, des hypothèses sur les fonctions biologiques des carapaces cholestériques (communication optique, thermorégulation).

Le but de COLEOPTIX est de comprendre les relations fondamentales entre la structure cholestérique graduelle, à orientation variable ou à torsion duale et sa réponse optique à l’équilibre, et en température ou en présence d’une excitation électrique.