Rupture et fusion d'un cristal bidimensionnel
Résumé
Breaking and melting of a two-dimensional crystal : Langmuir monolayers -molecular layers of amphiphilic molecules formed at the air/water interface- provide an ideal model for studying of two-dimensional systems. A first order liquid-solid phase transition has been observed in Langmuir monolayers of NBD-stearic acid. Domains of the solid phase are rectangular crystals, well adapted to micromechanical measurements. In the first part, we show that a crystal bent in the plane of the water under the effect of a bending stress, breaks after a clearly defined delay time. This delay is a function of the strain applied to the crystal. For large deformations, a second mode of breaking appears and coexists with the previous one : a fraction of the rods break instantaneously, while others break after a time-lag. In the second part, we study the melting of the crystals, which coexist with their liquid phase. In our system, melting can be achieved by two different thermodynamic processes (heating and decompression) and by a photochemical process. The latter process is shown to occur through a reversible photochemical reaction with oxygen in the air, leading to freezing-point depression. The three pocesses lead to strictly analogous behaviour, indicating a common mechanism for the initiation of the melting. Our observations show that the interior of the solid melts well before the edges do. The melting of crystals under a mechanical stress is initiated along the line at which the internal stress vanishes. We suggest that this apparently counterintuitive result arises from the migration of defects -probably dislocations- to the region of zero stress, where they accumulate and nucleate the melting. These results support the idea that defects play a crucial role in melting of two-dimensional systems.
Le systeme bidimensionnel etudié dans cette thèse est un film de Langmuir, film constitué d'une unique couche de molécules amphiphiles à l'interface eau-air. Une transition du premier ordre, observée dans une monocouche d'acide NBD-stéarique révèle la coexistence entre une phase cristalline et une phase liquide. Les domaines monocristallins se présentent sous la forme de longs bâtonnets, parfaitement adaptés aux études mécaniques. Nous étudions certaines propriétés de ce cristal bidimensionnel. La première étude concerne la rupture de ce solide bidimensionnel. Un cristal maintenu fléchi dans le plan de l'eau se rompt après une durée bien déterminée. Cette durée s'est avérée être fonction de la déformation appliquée au cristal. A fortescontraintes, on second mode de rupture coexiste : un certains nombre de cristaux cassent intantanément tandis que d'autres présentent une rupture différée. La seconde étude s'intéresse à la fusion des cristaux en équilibre avec leur phase liquide. La fusion peut être provoquée par trois processus distincts : deux processus thermodynamiques (réchauffement et décompression) et un processus photochimique. Ce dernier s'est avéré dû à une réaction photochimique réversible avec l'oxygène de l'air, conduisant a l'abaissement du point de fusion du cristal. Les trois processus de fusion conduisent à des observations similaires, indiquant ainsi l'existence d'un mécanisme commun dans l'initiation de la fusion. Les observation montrent que l'intérieur du crystal fond bien avant ses bords. De plus, la fusion d'un cristal maintenu déformé a lieu le long d'une ligne ou la contrainte s'annule. Nous suggérons que le mécanisme responsable de ce phénomène est la migration de défauts, probablement des dislocations, à l'endoit du cristal non déformé.; Ces défauts jouant le rôle de centres de nucléation de la fusion. Ces résultats montrent le rôle primordial des défauts dans la fusion à deux dimension.
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