Faits marquants scientifiques 2008

Communiqué de presse commun CEA-CNRS

Les molécules qui constituent un fluide sont tellement petites et nombreuses qu’à notre échelle nous pouvons considérer les fluides comme des milieux continus. En est-il de même lorsque ces mêmes fluides circulent dans des canaux dont le diamètre n’excède pas quelques tailles moléculaires ? Des physiciens de Rennes (IPR), Saarbrücken, Saclay (Iramis/LLB) et Grenoble (ILL) ont ainsi montré que certains fluides constitués de molécules allongées, dites mésogènes, ne présentent plus les mêmes propriétés physiques si le diamètre du tube dans lequel on les place est de l’ordre de 10 nanomètres, soit trente fois le diamètre de ces molécules.

Pour effectuer ces expériences, les physiciens ont utilisé des canaux de plusieurs centaines de micromètres de longs, mais seulement 8 nm de diamètre, obtenus par attaque électrochimique de feuilles de silicium. Après oxydation de ces matériaux, ils ont obtenu des membranes de silice, parfaitement transparentes et percées d’une assemblée de nanocanaux. Par des mesures optiques, ils ont suivi les orientations préférentielles de molécules mésogènes, confinées par imprégnation dans les canaux. Ces molécules, impliquées dans la plupart des applications des cristaux liquides, s’alignent spontanément entre elles en dessous d’une température bien précise alors que leur orientation est quelconque au dessus de cette température. En outre, des mesures de diffusion des neutrons faites au LLB et à l'ILL, ont montré que dans un canal, les mouvements de rotation et de translation des molécules sont modifiés et dépendent de manière importante de l’endroit précis de l’échantillon où se place la molécule. Ces modifications devraient avoir un effet important sur la viscosité du fluide et ses propriétés de transport.

Les résultats de cette étude font l’objet de deux publications dans les revues Physical Review Letters et Physical Review E, Rapid Communication.

Les chercheurs du LLB viennent de publier en 2008 plusieurs articles dans les prestigieuses revues Science [1-2] et Nature [3]. Ces résultats montrent toutes les potentialités des techniques de diffraction de neutrons à la pointe des études sur les nouveaux matériaux.

V. Hinkov¹, D. Haug¹, B. Fauqué, P. Bourges², Y. Sidis² (CNRS), A. Ivanov³, C. Bernhard⁴, C. T. Lin¹, B. Keimer¹,
¹Max Planck-Institut
²LLB CEA Saclay
³ILL (Institut Laue-Langevin)
⁴University of Fribourg, Switzerland

Lorsque l’on s’intéresse aux propriétés électroniques d’un matériau, il est communément admis que celles-ci doivent respecter les propriétés de symétrie liées à la structure de ce matériau. Par exemple, si l’on considère un système planaire pavé de carrées aux sommets desquels se trouvent les atomes qui fournissent les électrons de conduction, les propriétés électroniques de ce système doivent en principe être invariantes par rotation de 90°. Or, certains systèmes peuvent spontanément développer des propriétés électroniques qui brisent cette invariance par rotation sans aucun changement des propriétés structurales du système considéré. On parle alors de transition électronique nématique, par analogie avec les cristaux liquides pour lesquels à la transition nématique, il y a perte de l’invariance par rotation. De même que pour les cristaux liquides où cette phase peut être induite en appliquant un champ électrique, un état électronique nématique peut être obtenu en principe en appliquant une contrainte élastique (même faible) sur le système.

1 Institut de Physique de Rennes, CNRS UMR 6251, Univ. Rennes 1, 35042 Rennes, France
2 CNRS, UMR 6251, IPR, 263 Avenue du Général Leclerc, 35042 Rennes Cedex, France.
3 Laboratoire Léon Brillouin, CEA-CNRS, CEA Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette, France
4 Institut Laue-Langevin, 38042 Grenoble Cedex 9, France.
5 Department of Chemistry, Kansas State University, Manhattan, KS 66506, USA.
6 Facultad de Ciencias, Universidad del Pais Vasco, Apdo 644, Bilbao, Spain.

Une manière de sonder la structure de la matière à l'échelle atomique est d'utiliser la diffusion d'un rayonnement (tels que les rayons X, ou de l'onde associée à des particules : neutrons, électrons... ). La présence d'un ordre à grande distance se caractérise alors par l'apparition de pics de diffraction, formant une image qui reflète la symétrie de l’objet. C'est ainsi qu'ont été découverts ces dernières décennies des matériaux non périodiques, mais néanmoins ordonnés comme le montre leur spectre de diffraction présentant des pics discrets. Les physiciens savent représenter ce type de cristaux comme des cristaux périodiques mais dans un super-espace (de dimension 3+d, où 3 représentent les dimensions de l’espace usuel et d la dimension de l’espace interne).

Nous nous sommes intéressés à des systèmes modèles supramoléculaires apériodiques constitués d'un monocristal d'urée (structure hôte) et de molécules d'alcanes (molécules invitées), dont la  longueur est fonction du nombre n_C d'atomes de carbones dans la molécule (n_C>7). A température ambiante, les plans cristallins de l'urée ont une structure de symétrie hexagonale. Le long de l'axe C perpendiculaire, la structure suit une double hélice formant des canaux dans lesquels s'insérent les molécules d'alcanes. Le long de l'axe C les molécules et le réseau s'ordonnent, mais selon un ordre apériodique.

Spectre de diffraction de neutrons le long de l'axe C^*. En dessous de la température critique Tc₁ des lignes de surstructure (h=1/2) orientées selon C^* apparaissent montrant un changement de symétrie du système. Le long des lignes les pics de diffraction sont caractéristiques d'une nouvelle structure apériodique ordonnée. . Ce doublement de maille est totalement original car il ne se décrit que selon l’espace interne du superespace, cette solution structurale étant inimaginable dans une description à 3 dimensions. Une deuxième phase structurale apparaît en dessous de Tc₂.