Procédures expérimentales

Les cristaux liquides thermotropes s’orientent assez facilement dans les échantillons minces à l’aide de couches d’alignement.

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Nous avons donc utilisé une technique d’alignement classique, basée sur un polymère, afin d’obtenir des cellules minces (quelques microns d’épaisseur) bien orientées pour le 8OBA. Ces cellules sont constituées de deux lames de verres sur lesquelles une couche mince de polymère alcool polyvinylique (PVA) est déposée. Les lames de verre (lames de microscopes de 1mm d’épaisseur) sont coupées puis nettoyées afin d’enlever tous les impuretés déposés en surface. Nous plongeons successivement chaque substrat dans 3 bains d’eau distillée, d’acétone puis d’éthanol (quelques minutes par bain), placés dans une cuve à ultrasons. Chaque substrat est ensuite rincé longuement avec de l’eau distillée, puis séché sous flux d’azote avant chaque utilisation.

Une solution de PVA (Sigma-Aldrich, Mr = 85000.124 g/mol) est préparée en ajoutant 2.5 g de polymère à 50mL d’eau Millipore. Le mélange est chauffé pendant quelques heures à 90°C et agité de temps en temps. Après complète dissolution et refroidissement, la solution est stockée au réfrigérateur.

Un film mince (0.1µm) de polymère est fabriqué par spin-coating sur ces lames à partir de la solution aqueuse de PVA. Une petite quantité (~1mL) est prélevée à l’aide d’une seringue puis déposée sur un substrat de verre après filtration (filtre Millipore 0.45µm). Le spin-coating est obtenu avec une vitesse de rotation de 3000rpm pour une durée de 20s. La couche de PVA est ensuite homogénéisée pendant 1 heure dans une étuve à 110°C puis brossée mécaniquement avec un tissu de type « velours » dans une direction qui définira l’axe facile du cristal liquide. Notons que nous avons rencontré des difficultés pour avoir des particules en suspension dans notre cristal liquide thermotrope. Pour cette raison nous avons choisi de déposer par spin coating quelques mL d’une solution alcool+silice sur les deux lames de verre. Nous avons vérifié, sous microscope, la dispersion et la densité des billes (voir Figure 50) sur le substrat.

Enfin, une cellule fine est obtenue en collant (à l’aide d’une colle epoxy) deux lames d’orientations parallèles et séparées de 50µm par un film de mylar. La cellule est ensuite remplie par capillarité avec le 8OBA en phase isotrope en la chauffant sur un banc de Köfler.

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Figure 50. Image (caméra) des microparticules de silice de diamètres de 1µm-traitées entre

deux lames de verre avant de remplir le cristal liquide.

II.2. Résultats

Pour cette partie nous nous sommes intéressés à suivre des microparticules de diamètre 1µm, traitées par le DMOAP et dispersées dans le 8OBA. Notons qu’avant l’enregistrement des vidéos, la qualité d’alignement de notre cristal liquide est vérifiée entre analyseur polariseur croisés.

II.2.1. Micro rhéologie de 8OBA

1. Déplacement quadratique moyen

Comme nous l’avons vu dans le troisième chapitre, et pour le suivi de mouvement des particules nous avons utilisé les mêmes procédures expérimentales de tracking. A partir de la trajectoire d’une particule dispersée dans une phase nématique de 8OAB (voir Figure 51.A) nous pouvons déterminer le déplacement quadratique moyen de ces particules.

Un exemple de la mesure de la MSD pour des microparticules de 1µm de diamètres dispersée dans la phase nématique de 8OBA (130°C) est illustré dans la Figure 51.B. Dans ce cas nous apercevons que la diffusion est anisotrope et que < ∆𝑥2 > > < ∆𝑦2 > . A partir de l’ajustement de la MSD en fonction du temps en représentation log-log nous déterminerons les pentes relatives α_X et α_Y respectivement dans la direction parallèle et perpendiculaire à n⃗ . Notons que dans la phase isotrope la MSD montre une variation linéaire avec une pente de 1 dans les deux directions, ainsi que < ∆𝑥2 > = < ∆𝑦2 >.

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Nous savons que dans cette phase,< ∆𝑥2 > = 2𝐷_𝑋 𝑡 avec 𝐷_𝑋 = 0.0674 μ𝑚2 /𝑠. Donc à partir de l’équation de Stokes Einstein nous pouvons déterminer la viscosité de cette phase 𝜂_𝑥= 0.00631 𝑃𝑎. 𝑠 à 155°C.

Dans la phase nématique (130°C), on observe un comportement anormal de la diffusion avec des coefficients 𝛼 inférieurs à 1 dans les deux directions, correspondant bien à un régime subdiffusif aux temps courts. A partir de ces mesures de diffusion, nous pourrons détecter les modules viscoélastiques effectifs correspondants.

Figure 51. (A) Un exemple de la trajectoire d’une particule dispersée dans le 8OBA en phase nématique (130°C) (B) Déplacement quadratique moyen d’une particule de 1µm de diamètre

dispersée dans une phase nématique de 8OBA à une température 130°C.

2. Modules viscoélastiques de 8OBA

La même méthode de Mason que celle présentée Chapitre 3 a été utilisée pour déterminer les modules viscoélastiques de notre cristal liquide. Ici, dans la phase isotrope

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(voir Figure 52.A), la variation de G’’ montre une loi de puissance (𝐺′′ ≈ 𝜂 𝜔) avec une pente de 1 ainsi que 𝐺′′_𝑥 = 𝐺′′_𝑦. En effet, cette phase montre un comportement complètement visqueux avec G’ = 0. Dans la phase nématique (Figure 52.B), nous apercevons une dominance de comportement visqueux de 8OBA. Une loi de puissance est bien vérifiée pour les mesures de G’’ dans la phase nématique avec 𝐺′′_𝑥 ≈ 𝜔𝛽_𝑥 et 𝐺′′_𝑦 ≈ 𝜔𝛽_𝑦 (𝛽_𝑥, 𝛽_𝑦 ≅ 1). Les modules élastiques se rapprochent des lois de puissances 𝐺′_𝑥 ≈ 𝜔𝛾_𝑥 et 𝐺′_𝑦 ≈ 𝜔𝛾𝑦

avec 𝛾_𝑥 = 0.027 𝑒𝑡 𝛾_𝑦 = 0.39. A partir de ces mesures nous pouvons constater que les propriétés viscoélastiques sont plus importantes dans la direction perpendiculaire à n⃗ . Dans la phase nématique à T=130°C, le 8OBA montre un comportement visqueux (G’ est négligeable).

A ce stade il est nécessaire de vérifier ce comportement par rhéométrie même si les mesures ne sont pas précises comme dans la microrhéologie. Nous verrons l’écoulement de ce cristal liquide sous une déformation appliquée. Mais avant d’exploiter cette étude, nous allons présenter dans le paragraphe suivant des mesures de tension de surface ainsi que de la densité qui serviront également à une caractérisation physique du 8OBA.

II.2.2. Tensiométrie de 8OBA

Une méthode de goutte pendante permettant la mesure de tension de surface est présentée dans le deuxième chapitre. Rappelons que cette méthode consiste à former des gouttes pendantes à l’extrémité de tube capillaire et d’enregistrer leurs formes. A partir de traitement de ces formes on pourra calculer la tension de surface (voir chapitre 2) en fonction de la température.

Notons que la fiabilité de nos mesures nécessite une bonne stabilité thermique de la goutte. Autrement dit, une perturbation de l’environnement peut changer la forme de la goutte et donc donner des incertitudes sur la tension mesurée. Dans cette partie de thèse, nous nous sommes intéressées à mesurer la tension de surface des cristaux liquides thermotropes (8OBA et 8OBAF) en fonction de la température.

Comme nous l’avons dit dans le second chapitre, le calcul de la tension de surface par la méthode de la goutte pendante nécessite de mesurer chaque fois la longueur de capillaire. La Figure 53 illustre la variation de la tension de surface en fonction de la température pour le

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8OBA. Dans la phase nématique une augmentation de la tension de surface avec la température a été observée avec un changement de la forme de la goutte.

Figure 52. Variation Log-Log des modules viscoélastiques en fonction de la fréquence dans les deux directions principales de directeur mesurés par 1PPTM autour des particules de 1µm

de diamètres dispersées dans la phase isotrope (155°C) (A) et dans la phase nématique(130°C) de 8OBA (B).

A T=140°C le changement de la texture de liquide accompagne un changement de forme de la goutte de 8OBA lors de la transition de phase nématique-isotrope. Dans la phase isotrope nous apercevons ensuite une légère diminution de la tension de surface avec la température.

En revanche, nous avons vérifié l’effet du fluor dans la mesure de tension de surface de 8OBA (voir Figure 54). Notons que due à la déstabilisation du système des incertitudes de

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mesures ont été détecté. Pour cette raison nous avons réussi à travailler seulement en phase isotrope de 8OBAF.

Figure 53. Variation de la tension de surface de 8OBA et de 8OBAF en fonction de la température mesurée par la méthode de goutte pendante.

Nous apercevons une légère diminution de la tension de surface dans cette phase par rapport à la 8OBA. Il a été montré que le substituant fluor possède une grande polarité qui confère un moment dipolaire fort. Malgré cette polarité, il possède une faible polarisabilité qui confère une faible interaction de dispersion intermoléculaire ce qui entraine une faible tension de surface [36]. Ceci est en accord avec nos résultats. Nous allons nous intéresser à caractériser le 8OBA par une mesure de sa densité.

II.2.3. Mesure de densité

Dans une partie de ce chapitre on s’intéresse à déterminer différents propriétés physiques de 8OBA citons la densité dont nous avons étudié l’effet de la température sur sa variation. Dans ce contexte, nous avons enregistré des images des capillaires remplies du notre échantillon (8OBA) en chauffage dans le but de déterminer chaque fois la longueur de capillaire.

Pour calculer la surface de capillaire nous avons choisi l’eau comme référence. Nous avons donc calculé la densité de 8OBA tout en utilisant l’équation suivante :

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𝜌_{8𝑂𝐵𝐴}= 8𝑂𝐵𝐴

𝑙_{𝑐𝑎𝑝𝑖𝑙𝑙𝑎𝑖𝑟𝑒}∗𝑠 (81)

Avec 𝜌_{8𝑂𝐵𝐴} est la densité en g/cm³, 𝑚_{8𝑂𝐵𝐴} est la masse de fluide en gramme et 𝑠 est la surface de capillaire en cm².

Notons ici que la densité diminue linéairement avec la température (voir Figure 54). L’ajustement linéaire de la densité en fonction de la température montre une valeur de pente égale à 0.085328±0.000558. Les caractéristiques de l’écoulement d’un cristal liquide à base d’acide p-alcoxybenzoique dans la phase nématique mais aussi dans les smectiques permettent de comparer leurs mobilités moléculaire lié à des changements structurels. Pour exploiter ces phénomènes une étude rhéométrique de ces matériaux sera également utile dans nos recherches. Nous allons étudier dans le paragraphe suivant des propriétés d’écoulement de 8OBA ainsi que nous examinerons l’effet de fluor.

Figure 54. Evolution de la densité en fonction de la température pour le 8OBA.

Dans le document PROPRIETES VISCOELASTIQUES D'UN CRISTAL LIQUIDE PAR DISPERSION COLLOIDALE (Page 94-101)