Les cristaux liquides cholestériques (CLC) affichent des couleurs inhabituelles en raison de leur structure moléculaire unique et de leurs propriétés optiques qui entraînent la réflexion sélective de la lumière à des longueurs d’onde spécifiques. Crédit : Yukikazu Takeoka et Jialei He
Des scientifiques ont mis au point une méthode pour créer des codes QR anti-contrefaçon uniques en utilisant des cristaux liquides cholestériques (CLC) sphériques de taille micrométrique, ouvrant ainsi la voie à des codes QR plus sûrs et non reproductibles.
Sommaire
Révolutionner la lutte contre la contrefaçon : Les codes QR basés sur les cristaux liquides cholestériques
Un groupe de recherche dirigé par le Dr Jialei He de la Graduate School of Engineering de l’Université de Nagoya a mis au point une méthode de traitement des cristaux liquides cholestériques (CLC) pour en faire des particules sphériques de taille micrométrique. Les CLC, qui présentent une structure hélicoïdale, possèdent des propriétés optiques uniques et peuvent réfléchir la lumière de manière sélective. L’équipe a combiné des particules sphériques de CLC avec des pigments facilement disponibles pour développer un code QR anti-contrefaçon qui n’est visible que sous un polariseur circulaire spécifique. Les résultats de l’étude ont été publiés le 9 juillet dans la revue Advanced Optical Materials.
Exploiter la puissance de la nature dans l’ingénierie
Les cristaux liquides cholestériques sont un exemple de la manière dont nous pouvons nous inspirer de la nature à des fins d’ingénierie. Les ailes iridescentes des papillons ou le revêtement brillant des exosquelettes des coléoptères sont des exemples des phénomènes extraordinaires que les CLC peuvent générer. Une fois identifiés, les CLC qui imitent les unités qui génèrent les couleurs des exosquelettes des coléoptères sont synthétisés en laboratoire en raison de leurs couleurs et propriétés inhabituelles, qui se situent entre les liquides et les cristaux.
Propriétés optiques des cristaux liquides cholestériques
Les propriétés optiques des CLC sont particulièrement intéressantes. Leur structure moléculaire unique et leurs propriétés optiques permettent la réflexion sélective de la lumière à des longueurs d’onde spécifiques, ce qui donne des couleurs inhabituelles. Les CLC sont constitués de longues molécules qui se répètent en forme d’hélice. Dans cette hélice, la distance verticale à laquelle une région accomplit une boucle complète et commence à se répéter est appelée « pas ». Si les unités répétitives de l’hélice sont proches les unes des autres, le cristal liquide a un pas court et réfléchit des longueurs d’onde de lumière plus courtes, ce qui donne des couleurs bleues et violettes. En revanche, ceux dont l’espace vertical est plus long ont des longueurs d’onde plus grandes, ce qui donne des couleurs rouges ou orangées.
De plus, en raison de la disposition hélicoïdale des molécules dans le cristal, la couleur perçue peut changer en fonction de l’orientation de l’observateur par rapport à l’hélice, ce qui offre une palette de couleurs presque infinie.
L’une des applications potentielles de cette recherche est la création de codes QR plus sûrs qui ne peuvent pas être reproduits. Crédit : Yukikazu Takeoka et Jialei He
Création de particules sphériques de CLC
Pour exploiter plus efficacement les CLC, les chercheurs produisent des particules de CLC sphériques. Ces particules encapsulent l’hélice dans une matrice 3D, ce qui permet aux scientifiques de mieux contrôler leur coloration. Cependant, la taille pose un problème important. Les méthodes existantes créent des particules de CLC sphériques de 100 micromètres, qui sont trop grandes pour la plupart des applications. Pour résoudre ce problème, les chercheurs Jialei He et Yukikazu Takeoka de l’université de Nagoya, ainsi que leurs collègues, ont utilisé un mélange de solvants pour créer des particules de CLC sphériques de taille micrométrique à l’aide d’une technique connue sous le nom de polymérisation par dispersion.
La découverte de cette nouvelle technique s’est avérée difficile en raison de la nature molle des échantillons à température ambiante. « L’essai des échantillons a été particulièrement difficile en raison de leur mollesse à température ambiante, une propriété inhérente aux CLC », a déclaré le Dr He. « Il a donc fallu déployer des efforts considérables pour trouver une méthode appropriée permettant de caractériser les échantillons sans les endommager.
Création de sphères monodisperses
Étant donné que la hauteur du cristal liquide cholestérique dans les particules CLC sphériques varie en fonction de la courbure des particules, l’équipe s’est concentrée sur la production de particules de taille uniforme, également connues sous le nom de sphères monodisperses.
« Au cours de l’expérience, nous avons découvert de manière inattendue que la taille des microsphères influençait de manière significative la couleur structurelle obtenue. Nous avons pu produire une variété de couleurs en fonction de la taille des particules », a déclaré le Dr He. « Nous avons également constaté que le fait de recouvrir les particules sphériques de CLC avec le polymère polydiméthylsiloxane améliorait la coloration et la stabilité thermique. »
Applications anti-contrefaçon et perspectives d’avenir
L’une des principales applications potentielles de cette recherche est la création de codes QR plus sûrs et non reproductibles. En exploitant la chiralité des CLC – une propriété asymétrique qui empêche la superposition d’un objet ou d’une molécule à son image miroir – les chercheurs pourraient créer des codes QR anti-contrefaçon. Ces codes combineraient la couleur des particules sphériques de CLC avec des pigments non chiraux disponibles dans le commerce et ne pourraient être lus qu’à l’aide d’un polariseur circulaire spécifique qui laisse passer la lumière non chirale mais bloque la lumière chirale du code QR.
« Le développement de particules CLC sphériques résultant de cette recherche offrira de nouvelles possibilités pour des fonctions structurelles de couleur à faible coût, différentes de celles des matériaux de couleur conventionnels », a déclaré le Dr Takeoka. Takeoka. « En plus d’être utilisé comme pigment fonctionnel spécial pour la lutte contre la contrefaçon, il peut également être utilisé pour d’autres applications qui tirent parti de la couleur structurelle polarisée circulairement avec une faible dépendance à l’angle. »
Référence : « Particle Size Controlled Chiral Structural Color of Monodisperse Cholesteric Liquid Crystals Particles » par Jialei He, Sizhe Liu, Guohao Gao, Miki Sakai, Mitsuo Hara, Yuto Nakamura, Hideo Kishida, Takahiro Seki et Yukikazu Takeoka, 9 juillet 2023, Advanced Optical Materials.
DOI : 10.1002/adom.202300296