Microscopic and Macroscopic Properties of AOT/Iso-octane/Water Sheared Lyotropic Lamellar Phases
Propriétés Macroscopiques et Microscopiques de Phases Lamellaires Lyotropes Cisaillées d'AOT/Eau/Iso-octane
Résumé
Surfactant molecules such as AOT have amphiphilic properties which result in the formation of molecular aggregates when mixed with polar and apolar solvent such as water and iso-octane respectively. These aggregates can adopt various structures depending on the relative concentrations of the constituents in the ternary mixture. For AOT/Iso-octane/Water molecular systems, X-ray scattering experiments show that the favored structures at rest range from simple isotropic reversed micelles at high iso-octane concentration to complex hexagonal and lamellar anisotropic lyotropic liquid crystal phases when the iso-octane content is decreased. Depending on the water content, the latter lamellar phase exhibits various degrees of topological defects. In the following piece of research we investigate the rheological properties of such microscopically heterogeneous materials.
When sheared, these materials show an extremely rich rheological behaviour depending on the defects density. Indeed, whereas the defect free lamellar samples show newtonian flow properties, the emergence of topological defects leads to increasingly time and shear history dependent viscoelastic properties.
A preliminary study of the rheological properties of the considered material using transient strain and stress controlled rheometry shows a complex and unusually long transient regime. Given that the level of strain experienced by the material is high enough, both used techniques show that a steady state is finally reached after a rheopectic transition (ie. an increase of the viscosity upon application of either a constant shear rate or shear stress).
The structural properties of the material are then investigated at the microscopic and nanoscopic scales by means of flow-birefringence patterns analysis, wide angle x-ray scattering and freeze fracture electron microscopy. The results of the latter two experimental techniques show a transition at the nanoscopic scale from interconnected lamellar structures at rest to lamellar vesicles once the steady state is reached. This transition at the nanoscopic scale is shown to come along with a rearrangement of the topological defects at the microscopic scale by means of flow-birefringence patterns analysis. Moreover, both of these transitions occur after a given critical strain corresponding to the end of the rheopectic transition observed at the macroscopic level.
At last, the viscoelastic properties of the shear-induced phase are investigated after a creep flow based procedure allowing to control the shear-history of the material. These measurements indicate that the material behaves as soft jammed systems with controlled yielding and aging properties.
When sheared, these materials show an extremely rich rheological behaviour depending on the defects density. Indeed, whereas the defect free lamellar samples show newtonian flow properties, the emergence of topological defects leads to increasingly time and shear history dependent viscoelastic properties.
A preliminary study of the rheological properties of the considered material using transient strain and stress controlled rheometry shows a complex and unusually long transient regime. Given that the level of strain experienced by the material is high enough, both used techniques show that a steady state is finally reached after a rheopectic transition (ie. an increase of the viscosity upon application of either a constant shear rate or shear stress).
The structural properties of the material are then investigated at the microscopic and nanoscopic scales by means of flow-birefringence patterns analysis, wide angle x-ray scattering and freeze fracture electron microscopy. The results of the latter two experimental techniques show a transition at the nanoscopic scale from interconnected lamellar structures at rest to lamellar vesicles once the steady state is reached. This transition at the nanoscopic scale is shown to come along with a rearrangement of the topological defects at the microscopic scale by means of flow-birefringence patterns analysis. Moreover, both of these transitions occur after a given critical strain corresponding to the end of the rheopectic transition observed at the macroscopic level.
At last, the viscoelastic properties of the shear-induced phase are investigated after a creep flow based procedure allowing to control the shear-history of the material. These measurements indicate that the material behaves as soft jammed systems with controlled yielding and aging properties.
Les molécules tensioactives telles que celles d'AOT ont des propriétés amphiphiles qui conduisent à la formation d'agrégats moléculaires lorsqu'elles sont mélangées à des solvants polaires et apolaires comme l'eau et l'iso-octane. La taille et la forme des agrégats formés dépendent des concentrations relatives de chacun des constituants du mélange ternaire. Pour le système AOT/eau/isooctane considéré dans cette étude, des expériences de diffusion de rayon X ont ainsi montré que la formation de micelles inverses est favorisée dans les mélanges riches en iso-octane tandis que les phases mésomorphes cristallines de type hexagonale ou lamellaire sont favorisées lorsque la quantité d'iso-octane du mélange diminue. En fonction de la quantité d'eau du mélange, ces dernières présentent différentes concentrations de défauts topologiques. Dans les travaux présentés dans ce manuscrit nous étudions les propriétés d'écoulement de ces matériaux hétérogènes à l'échelle micro-, et macroscopiques.
Lorsqu'ils sont cisaillés, les cristaux liquides lyotropes présentent des propriétés d'écoulement variées allant du comportement newtonien à des comportements viscoélastiques non linéaires dépendant du temps et de 'l'histoire' de l'échantillon considéré.
Nos travaux liminaires en rhéométrie transitoire contrôlée soit en vitesse soit en contrainte montrent un régime d'écoulement transitoire complexe et inhabituellement long dépendant de la déformation subit par l'échantillon. Dans les deux cas un régime d'écoulement permanent est atteint après une transition rhéopectique (ie. une augmentation de la viscosité _a cisaillement constant). Les propriétés structurelles du matériau sont étudiées au moyen de techniques de visualisation de textures biréfringentes, de diffusion des rayons X aux grands angles et de microscopie électronique en transmission. Les deux dernières techniques montrent à l'échelle nanoscopique une transformation sous cisaillement des structures initialement lamellaires planes en vésicules lamellaires de type 'oignons'. Cette transition à l'échelle nanoscopique s'accompagne d'une réorganisation des défauts topologiques à l'échelle microscopique mise en évidence lors de l'observation des textures biréfringentes. Nous montrons que ces transitions aux échelles nanoscopiques et microscopiques sont à l'origine de la transition rhéopectique observée en rhéométrie.
Enfin, les propriétés viscoélastiques, de seuil d'écoulement et de vieillissement
de la phase vésiculaire induite sous cisaillement sont déterminées à l'aide d'une procédure expérimentale permettant de contrôler l'histoire de l'échantillon.
Lorsqu'ils sont cisaillés, les cristaux liquides lyotropes présentent des propriétés d'écoulement variées allant du comportement newtonien à des comportements viscoélastiques non linéaires dépendant du temps et de 'l'histoire' de l'échantillon considéré.
Nos travaux liminaires en rhéométrie transitoire contrôlée soit en vitesse soit en contrainte montrent un régime d'écoulement transitoire complexe et inhabituellement long dépendant de la déformation subit par l'échantillon. Dans les deux cas un régime d'écoulement permanent est atteint après une transition rhéopectique (ie. une augmentation de la viscosité _a cisaillement constant). Les propriétés structurelles du matériau sont étudiées au moyen de techniques de visualisation de textures biréfringentes, de diffusion des rayons X aux grands angles et de microscopie électronique en transmission. Les deux dernières techniques montrent à l'échelle nanoscopique une transformation sous cisaillement des structures initialement lamellaires planes en vésicules lamellaires de type 'oignons'. Cette transition à l'échelle nanoscopique s'accompagne d'une réorganisation des défauts topologiques à l'échelle microscopique mise en évidence lors de l'observation des textures biréfringentes. Nous montrons que ces transitions aux échelles nanoscopiques et microscopiques sont à l'origine de la transition rhéopectique observée en rhéométrie.
Enfin, les propriétés viscoélastiques, de seuil d'écoulement et de vieillissement
de la phase vésiculaire induite sous cisaillement sont déterminées à l'aide d'une procédure expérimentale permettant de contrôler l'histoire de l'échantillon.
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