TPE: LA MATIÈRE MOLLE

« Principe de fonctionnement d ' un écran LCD L1 L2 Ll L2 CLAIR -------- - -- --iff ,...

:­;""' :' ,/ l'i ) R2// Un filtre Pl polarise la lumière dans une direction donnée.

Un autre filtre, P2, analyse la lumière à la sortie de l'écran .

Sa direction de polarisation est perpendiculaire à celle de Pl.

Rl Ll i: I·,/ R2 / L2 Ll L2 'Y' OBSCUR montre p endant deux ans ! En d'autre s termes, un très faible courant électrique suffi t à modifier les propriétés optiques des cristaux liquide s.

Il existe d'autres types de cristaux liquides , qualifié s de smect iques .

Ces molécules s'organisent différemment , en couches parallèles .

Les cholestérols et les savons adoptent cette configuration , très récurrente dans la natur e .

1111wrnu SAVONS Comme tous les liquides , l'eau possède une énergie de surface, appelée tension superficielle.

Elle correspond à l'éne rgie qu'il faudrait fournir pour augme nter la surface de liquide de 1 m2 .

Les molécules d'eau préfèrent en effet rester en contact avec leurs homologues plutôt que d 'être mises en contact avec l'air: il faut de l'énergie pour les maintenir à la surface .

L'ajout de molécules de savon dans l'eau diminue radicalement cette énergie de surface .

On dit que le savon est une molécule amphiphile , qui engendre un effet tensioactif.

Il en existe d'autres : les lipid es qui constituent nos cellules, les émulsifiants , les agents mouillants, etc.

Ces molécules se caractérisent par une «tête » hydrophile , généra lement un groupe ionique, et une« queue» hydrophobe, qui est souvent une chaîne carbonée.

Quand on les plonge dans l'eau , les molécules de savon s'organisent à la surface et forment une monocouche.

1--------------.------------ --1 Les têtes polaires plon gent dans l'eau , permanent, tout en restant parallèles, comme un banc de poisson s : c'est un liquide .

La direction qu'adoptent les cristaux est quelconque.

On peut néanmoins l'imposer en rayant le fond du récipient qui contient les cristaux liquides : ils s'alignent parallèlement à la rayure.

ÉCRANS LCD D'autres propriétés des cristaux liquides , électriques et optiques, ont permis la mise au point des écrans LCD .

Des cristaux liquides nématiques sont emprisonnés entre deux lame s de verre , rayée s dans deux directio ns perpendiculaires .

Près de la lame L 1 , les cristaux s'orientent parallèlement à la rayure Rl, tandis que près de la lame L2 elles s'orientent selon la direction de R2.

Entre les deux lames , il se forme donc une hélice .

Cet arrangement s'ap pelle une plage tordue.

Par ailleurs, lorsqu'on applique une tension électrique entre les deux lames de verre, on produit un champ électrique.

Les molécules adoptent une nouvelle configuration : elles s'alignent dans la direction de ce champ électrique, perpendiculairement aux deux plaque s de verre.

Quand les cristaux sont orientés perpendiculairement aux plaques de verre, une lumi ère polarisée traverse le milieu sans modification de polarisation.

Le filtr e P2 ne laisse pas passer cette lumière.

L'écran paraît noir .

À l'inverse, quand une lumière traver se des cristaux disposés en plage tordu e , sa direction de polarisation change .

Elle suit la direction des cristaux, comme notre corps tourne quand nous descendons un escalier à vis.

Le filtr e P2 laisse passer cette lumière.

L'écran paraît clair.

Un écran LCD est divisé en un nombre fini de pixels.

Chaque pixel est commandé électriquement.

Il peut donc laisser passer la lumière ou l'arrêter, selon qu'on applique un champ électrique ou pas.

On contrôle ainsi l'afficha ge en noir ou en blanc.

Il est possible d'obtenir une gamme de gris en faisant varier graduellement le potenti el électrique entre les deux plaques .

Pour obtenir un affichage en couleur , il faut tripler le nombre de cellules électriques et recouvrir chaque pixel d 'un filtre coloré rouge, vert ou bleu .

LIMITES Depuis l'invent ion de ce principe par W.

Helfrich dans les années 1970, de nombreuses améliorations ont permi s la démocratisation des écrans LCD .

Elles ont porté sur la diminution du temps de réponse des cristaux liquides , l 'augmentat ion de l'an gle de vision (qui dit filtre polarisant dit limite d'an gle de vue), le contraste , etc.

Les cristaux liquide s ont sans h ésitation été qualifié s de matière molle car une simple pile permet d'alimenter une les chaînes hydrophobes se dressent en l'air, serrées les unes contre les autres.

Cette barrière entre l'air et l 'eau abaisse naturell e m e nt l'énergie de surface du liquid e.

Les molécules d'eau n'ont plus « peur » de migrer en surface.

On peut alors former des films d 'eau très fins, environ un micromètre : les bull es .

Les tensioactifs serve nt également à fabriquer des émulsions , comme la mayonnaise .

C'est un mélange a priori improbable d'huile et d'eau, contenue dans le jaune d'œuf .

C'est grâce à la lécithine , un lipide contenu également dans le jaune d'œuf , que ces deux sub stances peuvent se mélanger .

Ce tensioacti f s'organise en micelles : les chaînes carbonées pointent toutes vers quelques molécule s d'huile , qui se retrouvent emprisonnées au centre d'une sphère lipidique .

Les têtes , répartie s en surface, rendent cette sphère hydrophile .

L IPIDES ET MEMBRANES.

Quand la surface de l'eau est saturée , les molécules amphiphiles trouvent une autre mani ère de s'orga niser: elles forment des double couches .

Les chaînes se placent tête-bêche .

Les membrane s de nos cellules sont constituées de ces bicouches minces et fluides.

LA G ASTRONOMIE MOL ÉCULAIRE La «gastronomie moléculaire», c'est la science de la cuisine.

Le terme a été inventé par Nicholas Kurti, physicien d'Oxford, et Hervé This , physico­ chimiste français .

Cette discipline décrit du point de vue physico-chimique ce qui se passe dans les casseroles .

Ces connaissances fondamentales ont libéré la créativité de certains chefs, comme le catalan Ferran Adria à la tête du restaurant El Bulli.

Il faut patienter plusieurs mois avant de déguster ses plats aux textures et saveurs surprenantes : mousse de betteraves, bonbons d'olive noire ou gelée de pommes épicées lui valent une réputation mondiale.

qu'elle soit normale ou cancéreuse.

On explique notamment le fonctionnement des mot eurs moléculaires grâce aux concepts de la physique de la mati ère molle : les mouvements individuel s de quelques molécule s sont à l'origin e de la conversion d'une forme d'énergie ( le plus souvent chimique) en travail.

Dans la nature , ces moteur s sont à l'orig ine de tous les mouvements des êtres vivants .

Ils seraient aussi des composants importants d'éve ntuelle s nanomachine s.

«Notre espèce a travaillé d'abord les objets durs : le silex, le bronze , la pierr e, la brique ou m ême le bois.

Mais elle a vite éprouvé le besoin de 1-- ----------- -i nuances; de matériau x souples : des l.J{hhll Les systèmes désordonnés , comme le tas de sable et les a valan ches, ont intéressé les physiciens de la matière molle dès 1975 .

En 1998 , la très sérieuse revue scientifiqu e Nature publiait un numéro consacré aux châteaux de sable ! Ces objets communs, dont tout le monde a expéri ment é la fragilité , n'ont été décryptés par les scien tifiqu es que très tardivement.

On sait désormais que l'équilibre eau-air-grains qui régit ces systè mes est très subtil et fragile.

Il suffit de peu pour le perturber et modifier le comportement du sable.

Ce matériau est en effet suffisam m ent solide pour que l'on puisse marcher dessus, mais peut aussi s'écou ler comme un liquide ..

et Francis Crick de sa structure en double hélice a révolutionné la biologie.

Aujourd 'hui on sait que sa structure est consta mment modifi ée, par des phénom ènes loin d'être visibles à l'œil nu ...

Là encore on parle de mati ère moll e .

De manière plus généra le, beaucoup de physiciens héritiers de la matière molle et de biolo g istes travaillent aujourd'hui ensemble.

On parle d 'interface physique /biologie ou de biophysique.

Par exemp le, au sein des labor atoires de recherche contre le cancer , on étudie le fonctionnement de la cellule, cuirs, des libres naturelles, des cires et des empois.

[ ...

] De même, la physique de la matière au XX' siècle s'est d'abord consacrée aux matériau x durs : les métaux, les semi-conducteurs, et plus récemment les céramiques.

Mais l'évo lution récente va vers la mati ère molle.

» constate Pierre -Gille s de Gennes dans son ouvrage Les objets fragile s en 1992.

Une communauté pluridisciplinaire de physiciens s'est en effet formée pour étudier cette mati ère « mal » condensée.

Elle rassemble des mécaniciens, des physico-chimistes , des statisticiens et m ême des biologiste s.

La mati ère molle est une discipline aux contours relativement flous .

En anglais , on parle d 'ailleurs de soft motter , qui signifie « mati ère douce» ...

Cette physique« mal définie» concerne et intéresse donc de plus e n plus de chercheurs.

On recense aujourd'hui en France une centaine de groupes de recherche actifs sur la mati ère molle .

PIERRE -GILLES DE GENNES (ltll -2007 ) octobre 1932 à Paris et mort le 18 mai 2007 à Orsay .

Ce physicien a toujour s tenté de comprendre l'ordre et le désordre tels qu'ils se présentent dans la nature.

Cette quêt e lui vaut le prix Nobel , en 1991 , pour ses travaux sur les cristaux liquides et les polymères .

Ce grand vulgarisateur avait à cœur de partager son savoir et son expérience avec les plus jeunes , en faisant toujours un bon schéma et des figures explicatives.

li consacrait d'ailleurs une part importante de son temps libre à la peinture et au dessin .

Après avoir reçu le Prix Nobel, il réfléchit au rôle social du scientifique et à la façon d'enseigner les sciences.

Pierre-Gilles de Gennes fût par ailleurs directeur de !'École Supérieure de Physique et Chimie Industrielles de Paris , membre de l 'Académie des Sciences et professeur honoraire au Collège de France.. »