I.1.1. Préparation des échantillons :
Le DSCG commercial (Sigma-Aldrich) est assez onéreux et les quantités préparées étaient réduites (un échantillon typique contenant 20mg de DSCG pour 0.12mL de solution). Par ailleurs il présente des impuretés de taille microscopique qui perturbent fortement l’étude en microscopie et l’alignement dans les cellules. Il a été utilisé directement mais les solutions ont été systématiquement filtrées selon le protocole suivant. Nous avons d'abord préparé 1mL d’une solution aqueuse de DSCG à une concentration de 18% en masse en utilisant de l’eau Millipore. Une petite quantité (0.016%) de surfactant Triton X-100 (Sigma-Aldrich) peut être ajoutée à cette étape (voir la raison ci-après). Les quantités sont soigneusement pesées
(balance électronique de précision 0.01mg) dans un Eppendorf de 1.5mL.Cette solution mère est chauffée, agitée et soniquée à 70 ° C pour obtenir une solubilisation complète en phase isotrope. Afin d'éliminer les impuretés, le mélange est ensuite filtré à chaud dans l’étuve de stockage à l’aide d’une seringue et d’un microfiltre nylon de porosité 0.45µm. Un extrait sec de la solution filtrée est ensuite réalisé afin d’obtenir la teneur exacte en Cromoglycate. Les différentes solutions sont ensuite obtenues à partir de la solution mère par dilution dans des Eppendorfs pour des concentrations finales de DSCG comprises entre 2% et 17% en masse, une gamme qui englobe à la fois les phases isotropes et nématiques à température ambiante. Une faible quantité de microparticules peut être ajoutée lors de cette étape. Ce sont soit des particules de polystyrène (Polybead de Polysciences : diamètres 1,03 ± 0,01μm, 2,8 ± 0,13 μm et Fluka : diamètre 0.50±0.05µm) soit de Latex (Life : 6,2 ± 0,6μm, latex modifié en surface par des carboxylates) (voir Figure 20).
53
Figure 20. Images (caméra) des microparticules étudiées de différents diamètres : a) et b)particules de polystyrène de 1 et 3µm diamètres respectivement dispersées dans l’eau. c) particule de Latex de 6µm de diamètre piégée dans une solution isotrope de concentration
5.29% de DSCG en masse.
Contrairement aux cristaux liquides thermotropes, la fabrication de cellules pour un cristal liquide lyotrope est très délicate. Il faut en effet éviter l’évaporation de l’eau afin de ne pas modifier la concentration de la solution étudiée. Par ailleurs, l’obtention d’une orientation uniforme de ces cristaux liquides par traitements de surfaces classiques ne fonctionne souvent pas. Nous avons néanmoins réussi à bien aligner la phase nématique de DSCG tout en évitant l’évaporation en utilisant les deux méthodes décrites ci-dessous.
La méthode la plus efficace pour éviter toute évaporation d’eau, consiste à travailler avec des capillaires de verre scellés à la flamme. Dans un premier temps, nous avons donc utilisé des capillaires en verre rectangulaires de 50 μm d’épaisseur (Vitrocom). Ces capillaires peuvent être remplis par capillarité dans l’échantillon fermé puis parfaitement scellés (par la flamme). L’inconvénient de ces capillaires est leur absence de couche d’alignements. L’alignement spontané par les surfaces de verre est planaire dégénéré pour le DSCG. Un fort champ magnétique (~ 1T) nous a permis cependant de fixer l’orientation de ces échantillons.
La phase nématique de DSCG possède en effet une anisotropie magnétique négative [51] et l’alignement en volume est dégénéré perpendiculairement au champ.
54
Il suffit donc d’appliquer le champ dans le plan du capillaire pour lever la dégénérescence en sélectionnant comme axe d’alignement, le seul axe qui est à la fois dans le plan et perpendiculaire au champ magnétique. Un bon alignement est obtenu en plusieurs jours. Si on enlève le champ, l’alignement est temporaire mais la qualité reste bonne suffisamment longtemps pour mener les expériences sous microscope (voir Figure 21).Figure 21. Image en microscopie polarisante d’un nématique de concentration 19% en masse de DSCG dans une cellule en capillaire d’épaisseur 50µm sous champ magnétique. Il y a
extinction uniforme entre polariseurs croisés sauf au voisinage des microbilles.
Parmi les cristaux liquides lyotropes, les chromoniques peuvent cependant être orientés par certains traitements habituels des thermotropes. Il est bien connu que les couches brossées de polyimide (PI) orientent bien le DSCG. Cependant, ces couches posent des problèmes aux temps longs et souvent l’alignement n’est pas très stable [52]. Par ailleurs l’ancrage induit est souvent en compétition avec l’ancrage spontané imposé par les écoulements lors du remplissage de la cellule. Il a été récemment montré que l’ajout d’une faible quantité de Triton permet de stabiliser fortement l’ancrage imposé par un polymère brossé [52].
Cet effet est probablement dû à la formation d’une couche à l’interface entre PI et le DSCG ce qui empêche l’adhérence de DSCG induite par le flux à la surface [52]. Nous avons donc rajouté un peu de surfactant Triton X 100 lors de la préparation (cf ci-dessus) des échantillons.
55
Les substrats commerciaux (EHC-Japon) faits de verre de 1 mm d'épaisseur avec une couche mince de PI brossé permettent alors d’obtenir un très bon alignement stable au cours du temps. Nous les avons fréquemment utilisés pour l’étude par suivi en microscopie optique. Pour les expériences de pinces optiques, les traitements de surface de type « polymère brossé » ne conviennent cependant pas car ces mesures nécessitent une lame de verre mince (lamelle de 150µm) qui se brise facilement lors du brossage mécanique. Nous avons donc utilisé une autre couche d’alignement obtenue sans contact mécanique. Une couche de SiOx de 15 nm d'épaisseur est obtenue par évaporation de SiO2 sous incidence oblique (60°) et sous vide [53]. L’ancrage du DSCG dans des cellules formées de ces seuls substrats est correct mais moins bon que sur les lames PI. Les cellules utilisées pour les pinces optiques sont donc des cellules hybrides de 50μm d'épaisseur assemblées à partir d'une lamelle SiOx et d’une lame épaisse de polyimide (voir Figure 22).Dans toutes les configurations utilisées, les cellules sont remplies rapidement (quelques secondes), par capillarité, en phase isotrope dans un environnement saturé de vapeur d’eau afin de limiter l’évaporation. Après remplissage, les cellules sont soigneusement scellées avec la colle époxy pour empêcher l'évaporation de l'eau. La qualité du scellement est variable mais permet souvent de travailler avec un échantillon plusieurs jours consécutifs.
Figure 22. Schéma d’assemblage des cellules expérimentales des cristaux liquides.
I.1.2. Microscopie et traitement d'images
Avant d’enregistrer une vidéo pour étudier le mouvement brownien ou encore le comportement sous pinces optiques, nous avons systématiquement vérifié plusieurs points.
La qualité de l'alignement autour d’une particule est vérifiée avec une analyse en polarisation (voir Figure 23).
56
Par ailleurs, le suivi quantitatif de particules nécessite de suivre la trajectoire de particules individuelles dans un fluide au repos, mais également éloignées des substrats de plusieurs microns. Les particules doivent donc être localisées au centre des cellules minces. En utilisant la profondeur de champ du microscope et la mise au point, nous avons vérifié d’une part que les particules ne sont pas collées aux surfaces de la cellule, et d’autre part que la convection était limitée.Comme nous l’avons dit précédemment, des particules de différentes tailles (0.5, 1 ,3 et 6µm en diamètre) ont été dispersées dans des solutions de DSCG de concentrations comprises entre 2 et 18 % en masse. Notons que le suivi de plusieurs particules est compliqué mais permet d’obtenir une statistique élevée. Dans cette thèse, nous avons choisi de ne suivre qu’une seule particule.