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STRUCTURE DES CRISTAUX LIQUIDES SMECTIQUES B

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Academic year: 2021

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HAL Id: jpa-00214758

https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00214758

Submitted on 1 Jan 1971

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STRUCTURE DES CRISTAUX LIQUIDES SMECTIQUES B

J. Doucet, M. Lambert, A. Levelut

To cite this version:

J. Doucet, M. Lambert, A. Levelut. STRUCTURE DES CRISTAUX LIQUIDES SMECTIQUES B. Journal de Physique Colloques, 1971, 32 (C5), pp.C5a-247-C5a-248. �10.1051/jphyscol:1971539�.

�jpa-00214758�

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JOURNAL DE PHYSIQUE Colloque C5a, supplément au no 10, Tome 32, Octobre 1971, page C5a-247

STRUCTURE DES CRISTAUX LIQUIDES SMECTIQUES B

J. DOUCET, M. LAMBERT et A. M. LEVELUT Laboratoire de Physique des Solides (*)

Faculté des Sciences, 91, Orsay

Résumé. - On compare la structure du cristal et celle de la phase smectique B du TBBA.

Lors du passage de la première phase à la seconde, les corrélations subsistent dans une file de molécules alors que la mise en rotation de molécules autour de leur axe d'allongement modifie l'ordre dans les autres directions.

Abstract. - Structure of crystalline and smectic B phases of TBBA are compared. The correlation along a chain of molecules are the same in the two phases whereas the rotation of molecules around their long axes induce a change of the molecular packing in the other directions.

La phase smectique B ainsi nommée par Sack- mann [II est une mésophase qui, lorsqu'elle existe, précède les autres phases mésomorphes, succédant immédiatement au solide lorsqu'on élève la tempéra- ture. Beaucoup de ses propriétés sont voisines de celles du solide : sa forme extérieure et sa rigidité sont celles d'un cristal puisqu'elle ne coule pas ; les diagrammes de diffraction des rayons X sur des échantillons poly- domaines (Debye-Scherrer) présentent des anneaux fins [2] ; les uns correspondent à des distances de 20 à 30

A

et sont dus à l'arrangement en couches équi- distantes, caractéristique des phases smectiques ; les autres correspondant à des distances de 4

A

prouvent que les distances entre molécules perpendiculairement à leur grande longueur sont bien définies. Par consé- quent, il semble que les molécules d'une même couche soient disposées de façon ordonnée et on peut se demander en quoi l'ordre dans les smectiques B est différent de celui du solide cristallisé.

Dans ce but, nous avons comparé les diagrammes RX des phases cristalline et smectique B du TBBA (* *) dont les différentes phases sont d'après Taylor et coll. [33 :

port à la poudre. Nous avons aussi effectué des dia- grammes sur monocristaux oscillants ou fixes. En effet, l'observation au microscope polarisant de mono- cristaux de TBBA montre que ceux-ci semblent se transformer en monodomaines de la phase B. Comme par ailleurs celle-ci ne coule pas, il nous a été possible d'étudier la phase B avec les techniques habituellement utilisées pour les cristaux.

Si nous comparons les diagrammes Debye-Scherrer (Fig. 1) des deux phases, nous constatons que, s'il existe encore un nombre important d'anneaux de diffraction dans la phase B, il n'y en a pas correspon- dant à des distances réticulaires < 3

A.

Par conséquent, bien que l'ordre local soit parfaitement bien défini, il n'y a plus d'ordre à grande distance. L'examen des diagrammes de monodomaines confirme ces observa- tions : en effet, nous observons des taches correspon- dant aux réflexions de Bragg sur les plans smectiques (Fig. 3b). D'autres taches forment un réseau hexagonal plan dans le plan réciproque parallèle aux plans smec- tiques et passant par l'origine (Fig. 2c). Les centres de gravité des molécules d'une même couche sont donc aux nœuds d'un réseau plan trigonal de paramètre 5,2

A.

cristal

f -

SB

Cc," sC sA

F,

200 OC p ~ 2 3 6 OC

t,f; Liq. Isotrope

.

Toutes les expériences ont été faites avec le rayonne-

ment monochromatique du cuivre Ka. NOUS avons FIG. 1. - Diagramme Debye-Scherrer : a) phase solide;

étudié des poudres avec une chambre de Guinier dans b) phase smectique B (les raies de droite sont celles du support de laquelle l'échantillon était chauffé par le courant élec- platine).

trique traversant une grille de platine qui sert de sup-

Comparons le diagramme d'un monocristal oscillant

de 5 O (Fig. 2a) au diagramme obtenu lorsqu'on chauffe

(*) Laboratoire associé au C. N. R. S. le cristal à 130 OC, c'est-à-dire au-dessus de la tempé-

(**) C4H9-CsH4-N CH-C6H4 CHN-CsH4-C4H9. rature de fusion, sans changer son orientation

17

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1971539

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C5a-248 J. DOUCET, M. LAMBERT ET A. M. LEVELUT

moyenne : la direction des molécules est facilement On voit apparaître sur les deux diagrammes des identifiable grâce au renforcement de la diffusion ther- lignes de diffusion parallèles entre elles et perpendi- mique dans les régions où le facteur de structure molé- culaires à l'axe des molécules. La distance entre lignes culaire est important. Les molécules ne changent pas correspond à une périodicité égale à la longueur des d'orientation moyenne lorsqu'on passe du cristal à la molécules. Ces lignes sont semblables dans les deux phase smectique B ; elles ont leur axe d'allongement phases, mais elles sont plus étendues dans le solide.

parallèle aux plans de photographies 2b et 2a. Ces lignes correspondent en fait à des diffusions loca- lisées dans des plans de l'espace réciproque. L'existence - -

de telles diffusions montre qu'il existe des mouvements corrélés de molécules alignées les unes au-dessus des autres. L'absence de diffusion dans le plan passant par l'origine prouve que ces mouvements sont dirigés suivant l'axe des molécules [4]. Ces mouvements qui

4 sont les mêmes dans les deux phases montrent que les

I i molécules sont encore fortement liées par leur extrémité

1 t

( t I l l dans la phase SB. D'ailleurs, la largeur des lignes de diffusion, qui est la même dans les deux diagrammes,

b b t t t 8 ~ 8 t . indique que dans les deux phases les corrélations de mouvement s'étendent sur 6 à 7 molécules. Cependant,

FIG. 2. - Diagramme de monodomaines : a ) monocristal : I'axe des molécules est parallèle au plan de la photographie ; b) phase smectique B : I'axe des molécules est parallèle au plan de la photo- graphie ; c) phase smectique B : les molécules font un angle de 60°

avec le plan de la photographie.

1

la flèche indique la direction de la projection des molécules sur le plan du diagramme.

l'orientation des molécules fluctue autour de sa valeur moyenne dans la phase SB, ce qui limite les diffusions au centre du diagramme ; il est d'ailleurs possible d'évaluer ces fluctuations [5].

Ces observations nous permettent de reconstituer Ia structure de la phase SB que nous avons décrite dans un article précédent [6] : il y a superposition de couches constituées par un empilement hexagonal de molécules parallèles entre elles et inclinées à 580 sur le plan des couches. D'un plan smectique au suivant, les molécules sont reliées par leur extrémité, mais leur orientation fluctue

(k

20 en moyenne), ce qui fait que les réseaux trigonaux des différentes couches sont décalés les uns par rapport aux autres et, ainsi, l'ordre à grande dis- tance est détruit en dehors des plans smectiques.

En conclusion, lors du passage de la phase solide à la phase smectique B, il y a mise en rotation des molécules autour de leur axe ; cette rotation n'est pas complète- ment libre puisque le paramètre 5,2

A

est inférieur aux dimensions de la molécule. Cependant, ce mouvement explique l'existence du réseau trigonal, plus symétrique que celui du cristal et entraîne les fluctuations d'orienta- tion des molécules, et par suite, la disparition de l'ordre à grande distance, alors que les liaisons entre molécules alignées les unes au-dessus des autres restent sensible- ment les mêmes que dans le cristal. Enfin, cette mise en rotation expliquerait aisément que l'enthalpie de fusion soit nettement supérieure aux enthalpies des transitions ultérieures [3], ces transitions ne mettant en jeu que des changements progressifs de l'ordre local.

Nous remercions P. G. de Gennes de nous avoir suggéré l'étude de la structure des smectiques B.

Bibliographie

[l] SACKMANN(H.), DEMUS (D.), Forschritte der Chemische [4] COMES (R.), LAMBERT (M.), GUINIER (A.), Solid State

Forschung, 1969, 12, 349. Comm., 1968, 6 , 715.

[2] HERMANN (K.), KRUMACHER (A. H.), Zeit. Kristallogr. [SI GUINIER (A.), Théorie et technique de la radiocristallo- Minioral. Petrogr. A., 1932,81,317. graphie, Dunod Paris, 1966,610.

[3] TAYLOR (T. R.), ARORA (S. L.), FERGASON (J. L.), [6] LEVELUT (A. M.), LAMBERT (M.), C . R. Acad. Sci., Paris,

Phys. Rev. Letters, 1970,25,722. 1971, 272, 1018.

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