Une nouvelle génération de cristaux liquides hybrides pour les capteurs optiques

Les cristaux liquides sont constitués de molécules organiques allongées qui peuvent s'aligner spontanément tout en restant mobiles comme dans un liquide. Leur intérêt réside dans cette capacité à s’organiser de manière ordonnée tout en conservant une certaine fluidité. Ils sont également susceptibles de réagir à des stimuli externes comme des variations de champ électriques, de température ou d’irradiation lumineuse…, qui modifient leurs propriétés optiques. Ecrans et éclairages flexibles, capteurs de pressions ou de température, détecteurs de gaz, de biomolécules, cellules solaires, lasers, modulateurs optiques, textiles intelligents, on les retrouve ainsi dans de nombreuses applications.

Depuis plusieurs années, les scientifiques cherchent à leur conférer de nouvelles fonctionnalités – émission de lumière, propriétés magnétiques ou électroniques… – afin de développer des matériaux intelligents pour l’optique, la photonique ou les technologies de l’énergie. Pour cela, la stratégie de synthèse consiste à incorporer dans ces matrices souples des composés inorganiques présentant les propriétés souhaitées. Hélas, ces espèces sont souvent difficiles à disperser de façon homogène et ont tendance à perturber l’organisation des cristaux liquides, et donc à altérer leurs propriétés. De plus, les approches actuelles impliquent généralement des modifications chimiques complexes.

Pour contourner ces difficultés, des équipes de l’Institut des sciences chimiques de Rennes (CNRS/Université de Rennes, ENSCR, INSA Rennes) et de l’Université de Stuttgart proposent une stratégie d’auto-assemblageautoassemblage originale. Grâce à elle, ils sont parvenus à associer des nanoparticules nanoclusters de molybdène phosphorescentes à des molécules organiques assemblées en cristaux liquides non pas par liaison chimique forte, mais grâce à de faibles interactions supramoléculaires. Les deux composants s’organisent spontanément pour former un matériau hybride homogène*. Qualifié de « clustomésogène », ce matériau est capable d’intégrer jusqu’à 46 % en masse de composés inorganiques tout en conservant les propriétés d’un cristal liquide, une proportion exceptionnellement élevée pour ce type de système. Autre comportement remarquable : ces clustomésogènes restent dans un état cristal liquide cristallin à des températures inférieures à 0 °C, une première pour des matériaux hybrides. En restant sous forme de cristal liquide même à des températures négatives, ces matériaux conservent leurs propriétés optiques et leur capacité à réagir à leur environnement dans des conditions où de nombreux matériaux comparables se solidifient et perdent leur fonctionnalité.

Au-delà de ces propriétés structurales, ces matériaux présentent une émission phosphorescente dans le rouge et le proche infrarouge, particulièrement sensible à la quantité d’oxygène présente dans l’atmosphère. Une propriété qui pourrait être exploitée pour développer des capteurs optiques capables de détecter avec précision ces variations dans leur environnement.

Ces travaux, publiés dans la revue Advanced Materials, ouvrent une nouvelle voie pour la conception de matériaux hybrides qui pourrait permettre d’intégrer, selon le même principe, d’autres nanomatériaux fonctionnels au sein de matrices organisées. Cette combinaison unique de fluidité, d’ordre moléculaire et de propriétés optiques, pourrait intéresser des domaines aussi variés que les capteurs environnementaux, l’optoélectronique, la photonique ou encore certaines applications biomédicales utilisant la lumière.

* L'homogénéité est la condition qui permet de préserver les propriétés d'organisation et de fluidité du cristal liquide, ainsi que les propriétés luminescentes des nanoparticules clusters métalliques.

Rédacteur : CCdM