Les cristaux liquides - Gymnase Auguste Piccard

AUGUSTE PICCARD
Les Cristaux Liquides
Travail de maturité
Elève: Romane Garcia, 3M2
Encadrant: Y. Barbay
28 octobre 2013

Résumé du travail
Ce travail de maturité consiste en une première approche des cristaux liquides. Il est
séparé en deux parties. La première est une approche théorique, alors que la deuxième
est pratique.
La partie théorique comprend d’abord une introduction historique. J’ai ensuite fait un
rappel des différents états de la matière, pour situer les cristaux liquides parmi ceux-ci,
puisqu’ils sont, en effet, une phase spécifique à certaines molécules. Ils se situent entre
l’état solide et l’état liquide, et portent donc aussi le nom de «mésomorphes». Toutefois, il
y a deux types de cristaux liquides. Ceux dont l’état dépend de la température sont
appelés thermotropes. Ce sont ceux dont je parle plus en détail dans ce travail. Mais
certains cristaux liquides, dits lyotropes, peuvent être obtenus en mélangeant plusieurs
substances spécifiques. Les molécules des cristaux liquides thermotropes ont une forme
relativement spécifique, comme des bâtonnets aux extrémités souples et au centre rigide,
et certains peuvent aussi être plus ronds et aplatis.
Ensuite, j’explique les différentes phases présentes dans les cristaux liquides, de la phase
nématique semblable à un banc de poisson, à la phase colonnaire, à l’image de piles
d’assiettes, en passant par les différentes phases smectiques, utilités dans les écrans
LCD, et la phase cholestérique, en couches.
Puisque les cristaux liquides sont biréfringents, et que cette double réfaction est liée à la
polarisation de la lumière, j’introduis quelques notions d’optique afin de mieux comprendre
cette propriété. Je finis la partie théorique avec quelques-unes des nombreuses
applications des cristaux liquides.
Quant à la partie pratique, elle s’est tenue à l’Université de Genève, dans le groupe du
professeur Claude Piguet, et plus précisément avec le docteur Emmanuel Terazzi et son
doctorant, Thibault Dutronc. Ce travail pratique a duré trois jours. Durant le premier, j’ai fait
la synthèse d’un cristal liquide. Je suis revenue trois jours après, afin de procéder à son
extraction. La suite du travail pratique a constitué en plusieurs caractérisations de ce
cristal liquide. J’ai réalisé des chromatographies sur couche mince des produits de départ
et de ceux d’arrivée, une spectrométrie de masse de la molécule, ainsi qu’une
spectroscopie en protons et une en 13C. Pour compléter ce travail, j’ai aussi effectué une
observation microscopique, avec un microscope polarisant-chauffant.
Le sujet de ce travail pratique était du C25H33NO, appelé 4’-(dodecyloxy)-[1,1’-biphenyl]-4-
carbonitrile. C’est un cristal liquide qui présente une phase smectique A environ entre
69°C et 87°C.
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Table des matières
...........................................................................................................................1. Introduction 5
.............................................................................................................................2. Historique 5
..................................................................................................2.1 Premières observations 5
......................................................................................................................2.2 Découverte 5
...............................................................................................2.3 Acceptation et appellation 6
.................................................................................2.4 Avancées et découverte des LCDs 6
...........................................................................................3. Un quatrième état de la matière 7
..................................................................................................3.1 Les états fondamentaux 7
......................................................................................................................3.2 Les solides 7
.............................................................................................................3.2.1 Solide cristallin 7
............................................................................................................3.2.2 Solide amorphe 7
............................................................................................................................3.3 Liquide 8
.................................................................................................................................3.4 Gaz 8
.......................................................................................................3.5 Un état mésomorphe 8
...........................................................................................................4. Forme des molécules 9
.................................................................................................................................5. Phases 9
............................................................................................................5.1 Phase nématique 9
..........................................................................................................5.2 Phase smectique 10
......................................................................................................5.3 Phase cholestérique 10
......................................................................................................................5.3.1 Chiralité 11
..........................................................................................................5.4 Phase colonnaire 11
........................................................6. Quelques propriétés physiques des cristaux liquides 11
...................................................................................................................6.1 Polarisation 11
.................................................................................................................6.2 Biréfringence 12
.......................................................................................7. Applications des cristaux liquides 13
......................................................................................................................7.1 Les LCDs 13
........................................................................................7.2 Quelques autres applications 14
..................................................................................................................8. Travail Pratique 14
...........................................8.1 Synthèse du 4’-(dodecyloxy)-[1,1’-biphenyl]-4-carbonitrile 15
..........................................................................................................................Introduction 15
...............................................................................................................................Matériel 16
..................................................................................................................Mode opératoire 17
............................................................................Chromatographie du mélange de départ 18
...............................................................................................................................Matériel 18
..................................................................................................................Mode opératoire 18
.............................................................................................................................Résultats 18
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...........................................................................................................................Discussion 18
..........................................8.2 Extraction du 4’-(dodecyloxy)-[1,1’-biphenyl]-4-carbonitrile 19
..........................................................................................................................Introduction 19
...............................................................................................................................Matériel 19
.............................................Première partie: Mode opératoire pour l’ampoule à décanter 20
............................................................Deuxième partie: Mode opératoire pour la colonne 21
.................................................................................Chromatographie du produit d’arrivée 23
................................................................................................Matériel et Mode opératoire 23
.............................................................................................................................Résultats 23
...........................................................................................................................Discussion 23
..............................................................................................................8.3 Caractérisation 24
....................................................................................................................................NMR 24
.....................................................................................................Spectrométrie de masse 24
...................................................................................................................8.4 Observation 25
..........................................................................................................................Introduction 25
..................................................................................................................Mode opératoire 26
.......................................................................................................................Observations 26
....................................................................................8.5 Conclusion de la partie pratique 30
...........................................................................................................9. Conclusion générale 31
................................................................................................................10. Remerciements 31
.....................................................................................................................11. Bibliographie 32
.....................................................................................................................11.1 Ouvrages 32
...............................................................................................................11.2 Sites internet 32
........................................................................................................................11.3 Figures 32
............................................................................................................................12. Annexes 34
...............................................................................Annexe 1: CCM du mélange de départ 34
................................................................................Annexe 2: CCM du mélange d’arrivée 35
........................................................Annexe 3: CCM du produit d’arrivée après extraction 36
......................................................................................Annexe 5: NMR en 13C théorique 37
................................................................................Annexe 6 : NMR en 13C expérimental 38
.......................................................................................Annexe 7: NMR en H+ Théorique 39
................................................................................Annexe 8 : NMR en H+ expérimentale 40
....................................................................................Annexe 9: Spectrométrie de masse 41
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1. Introduction
Les cristaux liquides jouant actuellement un rôle central dans notre quotidien, j’ai choisi
d’en faire mon sujet de Travail de Maturité. C’est en effet un matériau de la vie de tous les
jours, puisque nous possédons tous des ordinateurs, téléphones ou autres écrans de
montre et de télévision. Même avant cela, des cristaux liquides se retrouvent dans la
pharmacologie, la cosmétique ainsi que dans notre propre corps. J’ai donc été intriguée
par ces cristaux liquides si présents et si difficilement abordables.
Quant à la problématique de mon travail, elle réside dans une première approche de cet
état si particulier. En effet, la réponse à la question « Qu’est-ce qu’un cristal liquide? » est
loin d’être simple.
2. Historique
2.1 Premières observations
C’est en 1854 que le médecin Rudolf Virchow observait la myéline, une substance
entourant les fibres nerveuses, fluide et colorée. Trois ans plus tard, un ophtalmologue
allemand, du nom de Carl von Mettenheimer, notait la double réfraction que provoque la
myéline et qui justifie son apparence colorée. Leur intérêt pour cette substance était due
au fait que, sous une lumière polarisée, elle ne réagissait pas comme les autres cristaux.
Les deux médecins faisaient là les premières observations de cristaux liquides lyotropes.
Toutefois, leurs recherches n’allèrent pas plus loin et se limitèrent à de simples
observations. Ils faisaient face à des structures encore trop complexes pour qu’ils puissent
en percer le mystère. En même temps, dans toute l’Europe, d’autres scientifiques faisaient
des observations similaires sur des dérivés du cholestérol.
2.2 Découverte
En 1888, le botaniste autrichien Friedrich Reinitzer cherchait à comprendre la fonction du
cholestérol. Il a extrait le benzoate de cholestérol de racines de carottes et de calculs
biliaires. En étudiant cette substance, il a noté qu’elle semblait présenter deux
températures de fusion, propriété qui semblait pourtant impossible! Il a donc écrit une
lettre au physicien allemand Otto Lehmann, spécialiste en cristallographie. Dans cette
lettre, il parle d’un premier point de fusion à 145,5°C. La substance y fond en un liquide à
l’aspect laiteux, qui n’est pas dû à la présence de cristaux mais du liquide lui-même, qui
forme des « stries huileuses ». Puis, à 178,5°C, le liquide devient complètement clair. La
découverte des cristaux liquides est donc attribuée à Reinitzer puisqu’il a été le premier à
parler de deux points de fusion, expression maladroite qui interpellera longtemps la
communauté scientifique.
Lehmann est très intéressé par ce nouveau phénomène. Il est le premier à utiliser un
microscope polarisant auquel il associe une plaque chauffante pour pouvoir étudier les
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