Chiralité déchaînée : les cristaux liquides brisent la barrière de la symétrie

Une étude révèle que des structures chirales, avec des configurations en image miroir, peuvent émerger de systèmes non chiraux, suggérant de nouvelles façons de concevoir ces matériaux.

Tenez vos mains devant vous, et quelle que soit la façon dont vous les faites pivoter, il est impossible de superposer l’une sur l’autre. Nos mains sont un parfait exemple de chiralité – une configuration géométrique par laquelle un objet ne peut pas être superposé à son image dans un miroir.

La chiralité est partout dans la nature, de nos mains à la disposition de nos organes internes en passant par la structure en spirale de ADN. Les molécules et matériaux chiraux ont été la clé de nombreuses thérapies médicamenteuses, dispositifs optiques et fonctions fonctionnelles. métamatériaux. Jusqu’à présent, les scientifiques ont supposé que la chiralité engendre la chiralité, c’est-à-dire que les structures chirales émergent de forces chirales et d’éléments constitutifs. Mais cette hypothèse devra peut-être être réexaminée.

Découverte révolutionnaire au MIT

MIT Les ingénieurs ont récemment découvert que la chiralité peut également émerger dans un matériau entièrement non chiral et par des moyens non chiraux. Dans une étude publiée récemment dans Communications naturellesl’équipe rapporte avoir observé la chiralité dans un cristal liquide – un matériau qui s’écoule comme un liquide et qui possède une microstructure cristalline non ordonnée comme un solide.

Ils ont découvert que lorsque le fluide s’écoule lentement, ses microstructures normalement non chirales s’assemblent spontanément en grandes structures chirales tordues. L’effet est comme si une bande transporteuse de crayons, tous alignés symétriquement, se réorganisait soudainement en de grands motifs en spirale une fois que la bande atteignait une certaine vitesse.

Le potentiel des cristaux liquides chiraux

La transformation géométrique est inattendue, étant donné que le cristal liquide est naturellement non chiral, ou « achiral ». L’étude de l’équipe ouvre ainsi une nouvelle voie pour générer des structures chirales. Les chercheurs envisagent que les structures, une fois formées, pourraient servir d’échafaudages en spirale dans lesquels assembler des structures moléculaires complexes. Les cristaux liquides chiraux pourraient également être utilisés comme capteurs optiques, car leur transformation structurelle modifierait la façon dont ils interagissent avec la lumière.

« C’est passionnant, car cela nous donne un moyen simple de structurer ces types de fluides », déclare Irmgard Bischofberger, co-auteur de l’étude et professeur agrégé de génie mécanique au MIT. « Et d’un point de vue fondamental, c’est une nouvelle façon dont la chiralité peut émerger. »

Les co-auteurs de l’étude comprennent l’auteur principal Qing Zhang PhD ’22, Weiqiang Wang et Rui Zhang de l’Université des sciences et technologies de Hong Kong, et Shuang Zhou de l’Université du Massachusetts à Amherst.

Rayures frappantes

Un cristal liquide est une phase de la matière qui incarne les propriétés à la fois d’un liquide et d’un solide. Ces matériaux intermédiaires s’écoulent comme un liquide et sont structurés moléculairement comme des solides. Les cristaux liquides sont utilisés comme élément principal des pixels qui composent les écrans LCD, car l’alignement symétrique de leurs molécules peut être uniformément commuté avec la tension pour créer collectivement des images haute résolution.

Le groupe de Bischofberger au MIT étudie comment les fluides et les matériaux mous forment spontanément des motifs dans la nature et en laboratoire. L’équipe cherche à comprendre les mécanismes sous-jacents aux transformations des fluides, qui pourraient être utilisés pour créer de nouveaux matériaux reconfigurables.

Explorer la dynamique des fluides

Dans leur nouvelle étude, les chercheurs se sont concentrés sur un type spécial de cristaux liquides nématiques – un fluide à base d’eau qui contient des structures moléculaires microscopiques en forme de bâtonnets. Les tiges s’alignent normalement dans la même direction dans tout le fluide. Zhang était initialement curieux de savoir comment le fluide se comporterait dans diverses conditions d’écoulement.

« J’ai tenté cette expérience pour la première fois chez moi, en 2020 », se souvient Zhang. « J’avais des échantillons de fluide et un petit microscope, et un jour, je l’ai réglé sur un faible débit. À mon retour, j’ai vu ce schéma vraiment frappant.

Elle et ses collègues ont répété ses premières expériences en laboratoire. Ils ont fabriqué un canal microfluidique à partir de deux lames de verre, séparées par un espace très fin et reliées à un réservoir principal. L’équipe a lentement pompé des échantillons de cristaux liquides à travers le réservoir et dans l’espace entre les plaques, puis a pris des images microscopiques du fluide pendant son écoulement.

Comme lors des premières expériences de Zhang, l’équipe a observé une transformation inattendue : le fluide normalement uniforme a commencé à former des rayures ressemblant à celles d’un tigre alors qu’il se déplaçait lentement dans le canal.

« Il était surprenant qu’il forme une structure, mais encore plus surprenant une fois que nous savions réellement quel type de structure il formait », explique Bischofberger. « C’est là qu’intervient la chiralité. »

Torsion et fluidité

L’équipe a découvert que les rayures du fluide étaient étonnamment chirales, en utilisant diverses techniques optiques et de modélisation pour retracer efficacement l’écoulement du fluide. Ils ont observé que, lorsqu’ils ne bougent pas, les bâtonnets microscopiques du fluide sont normalement alignés selon une formation presque parfaite. Lorsque le fluide est pompé rapidement à travers le canal, les tiges sont en plein désarroi. Mais à un écoulement intermédiaire plus lent, les structures commencent à bouger, puis se tordent progressivement comme de minuscules hélices, chacune tournant légèrement plus que la suivante.

Si le fluide continue son écoulement lent, les cristaux tordus s’assemblent en grandes structures en spirale qui apparaissent sous la forme de rayures au microscope.

« Il y a cette région magique, où si vous les faites couler doucement, ils forment ces grandes structures en spirale », explique Zhang.

Les chercheurs ont modélisé la dynamique du fluide et ont découvert que les grands motifs en spirale apparaissaient lorsque le fluide atteignait un équilibre entre deux forces : la viscosité et l’élasticité. La viscosité décrit la facilité avec laquelle un matériau s’écoule, tandis que l’élasticité indique essentiellement la probabilité qu’un matériau se déforme (par exemple, la facilité avec laquelle les tiges du fluide bougent et se tordent).

« Lorsque ces deux forces sont à peu près identiques, c’est à ce moment-là que nous voyons ces structures en spirale », explique Bischofberger. « C’est assez étonnant que des structures individuelles, de l’ordre du nanomètre, puissent s’assembler en structures beaucoup plus grandes, à l’échelle millimétrique et très ordonnées, simplement en les poussant un peu hors de l’équilibre. »

L’équipe a réalisé que les assemblages torsadés ont une géométrie chirale : si une image miroir était constituée d’une seule spirale, il ne serait pas possible de la superposer à l’original, quelle que soit la façon dont les spirales sont réarrangées. Le fait que les spirales chirales aient émergé d’un matériau non chiral et par des moyens non chiraux est une première et indique un moyen relativement simple de concevoir des fluides structurés.

Implications et orientations futures

« Les résultats sont effectivement surprenants et intrigants », déclare Giuliano Zanchetta, professeur associé à l’Université de Milan, qui n’a pas participé à l’étude. « Il serait intéressant d’explorer les limites de ce phénomène. Je considérerais les modèles chiraux rapportés comme un moyen prometteur de moduler périodiquement les propriétés optiques à l’échelle microscopique.

« Nous disposons désormais de quelques boutons pour régler cette structure », explique Bischofberger. « Cela pourrait nous donner un nouveau capteur optique qui interagit avec la lumière de certaines manières. Il pourrait également être utilisé comme échafaudage pour cultiver et transporter des molécules destinées à l’administration de médicaments. Nous sommes ravis d’explorer ce tout nouvel espace de phase.

Cette recherche a été financée en partie par la National Science Foundation des États-Unis.