Etude de l'interface lamellaire-éponge des systèmes lyotropes gonflés : du facettage volumique et des formes de croissance aux modèles microscopiques
Résumé
This dissertation treats different properties of the interface between two swollen phases of membranes: the lamellar La and the sponge L3 phases. The lamellar phase is made of bilayers and displays a smectic order whereas the sponge phase is made of a bicontinuous and disordered membrane. L3 phase is a fluid an isotropic phase at large scale. The main focus is set on the patterns and instabilities that arise in the two-phase region.
In a first experimental part, the author characterizes the anisotropy of the La-L3 interface tension sigma and shows the existence of a preferred orientation theta for the La bilayers at the interface. Due to the softness of the La layers, the anchoring conditions give rise to macroscopic defects by a mechanism close to the “bulk faceting” of thermotropic SmA materials. This phenomenon is thoroughly studied in two cases :
* the free growth of La germs in the isotropic sponge phase
* the formation of regular lattices of macroscopic defects in thin La slabs confined between glass (homeotropic anchoring) and the sponge phase (preferred orientation theta).
In order to interpret the observed textures, the author introduces the notion of curved wall defects and thus extends the geometrical description of smectics. The importance of these curved walls in the textures of smectics in contact with fluids, that is the smectics submitted to an “orientational anchoring”. This work on textures is completed by a study of the growth instabilities of complex La droplets in the isotropic L3 phase. A coupling between the solid-like growth mechanism (dendrites ....) and the bulk faceting is evidenced and discussed. This part greatly clarified the classic topic about the growth a SmA nuclei (the so-called “bâtonnets”).
In a last part, the author discusses several microscopic models for the La-L3 interface that could explain its unusual macroscopic properties. In particular, a simple model of epitaxy between the two membrane phases predicts the value of theta,, the properties and magnitude of sigma(theta), and the possibility of a transition for the main. Anchoring. This last point is checked by using ferrolyotropic systems, in wich the elastic constants can be tuned.
In a first experimental part, the author characterizes the anisotropy of the La-L3 interface tension sigma and shows the existence of a preferred orientation theta for the La bilayers at the interface. Due to the softness of the La layers, the anchoring conditions give rise to macroscopic defects by a mechanism close to the “bulk faceting” of thermotropic SmA materials. This phenomenon is thoroughly studied in two cases :
* the free growth of La germs in the isotropic sponge phase
* the formation of regular lattices of macroscopic defects in thin La slabs confined between glass (homeotropic anchoring) and the sponge phase (preferred orientation theta).
In order to interpret the observed textures, the author introduces the notion of curved wall defects and thus extends the geometrical description of smectics. The importance of these curved walls in the textures of smectics in contact with fluids, that is the smectics submitted to an “orientational anchoring”. This work on textures is completed by a study of the growth instabilities of complex La droplets in the isotropic L3 phase. A coupling between the solid-like growth mechanism (dendrites ....) and the bulk faceting is evidenced and discussed. This part greatly clarified the classic topic about the growth a SmA nuclei (the so-called “bâtonnets”).
In a last part, the author discusses several microscopic models for the La-L3 interface that could explain its unusual macroscopic properties. In particular, a simple model of epitaxy between the two membrane phases predicts the value of theta,, the properties and magnitude of sigma(theta), and the possibility of a transition for the main. Anchoring. This last point is checked by using ferrolyotropic systems, in wich the elastic constants can be tuned.
Ce mémoire traite de diverses propriétés de l'interface de deux phases gonflées de membranes : les phases lamellaire(La) et éponge (L3) des systèmes lyotropes.
Dans un premier temps, nous étudions les instabilités et textures rencontrées dans le domaine de coexistence La-L3 par observation en microscopie optique. En particulier, nous caractérisons l'anisotropie de la tension interfaciale sigma entre les deux phases et mettons en évidence l'existence d'une orientation préférentielle theta des couches lamellaires à l'interface, correspondant à un minimum prononcé de sigma(theta). En raison de la faible rigidité de la phase lamellaire, cette propriété de l'interface conduit à la formation de défauts macroscopiques par un mécanisme proche du <> des smectiques thermotropes. Nous étudions ce phénomène dans deux situations expérimentales : la croissance libre des gouttes de phase La dans la phase L3 et la formation de réseaux réguliers de défauts dans les couches minces de phase lamellaire au contact de la phase éponge et d'un substrat de verre.
Nous interprétons les données expérimentales en introduisant la notion de défauts parois courbes et étendons ainsi l'approximation géométrique classique des smectiques. Nous soulignons, à travers l'étude théorique de quelques exemples, l'importance du rôle de ces parois dans l'étude des textures smectiques soumises uniquement à un ancrage fixant l'orientation des couches aux interfaces.
Cette partie est complétée par l'étude des instabilités de croissance dans la formation de gouttes complexes proches des bâtonnets SmA. Nous mettons ainsi en évidence l'existence d'un couplage entre des mécanismes de croissance se rattachant à la solidification des solides (dendrites...) et le <> des smectiques.
Enfin, dans une deuxième partie, nous discutons de modèles de l'interface pouvant expliquer ses propriétés macroscopiques. En particulier, un modèle simple d'épitaxie des deux phases à l'interface prédit l'ordre de grandeur de theta, les propriétés de la tension interfaciale et la possibilité de transitions d'orientation des couches lamellaires à l'interface. Ce dernier point est vérifié expérimentalement dans un système ferrolyotrope.
Dans un premier temps, nous étudions les instabilités et textures rencontrées dans le domaine de coexistence La-L3 par observation en microscopie optique. En particulier, nous caractérisons l'anisotropie de la tension interfaciale sigma entre les deux phases et mettons en évidence l'existence d'une orientation préférentielle theta des couches lamellaires à l'interface, correspondant à un minimum prononcé de sigma(theta). En raison de la faible rigidité de la phase lamellaire, cette propriété de l'interface conduit à la formation de défauts macroscopiques par un mécanisme proche du <> des smectiques thermotropes. Nous étudions ce phénomène dans deux situations expérimentales : la croissance libre des gouttes de phase La dans la phase L3 et la formation de réseaux réguliers de défauts dans les couches minces de phase lamellaire au contact de la phase éponge et d'un substrat de verre.
Nous interprétons les données expérimentales en introduisant la notion de défauts parois courbes et étendons ainsi l'approximation géométrique classique des smectiques. Nous soulignons, à travers l'étude théorique de quelques exemples, l'importance du rôle de ces parois dans l'étude des textures smectiques soumises uniquement à un ancrage fixant l'orientation des couches aux interfaces.
Cette partie est complétée par l'étude des instabilités de croissance dans la formation de gouttes complexes proches des bâtonnets SmA. Nous mettons ainsi en évidence l'existence d'un couplage entre des mécanismes de croissance se rattachant à la solidification des solides (dendrites...) et le <> des smectiques.
Enfin, dans une deuxième partie, nous discutons de modèles de l'interface pouvant expliquer ses propriétés macroscopiques. En particulier, un modèle simple d'épitaxie des deux phases à l'interface prédit l'ordre de grandeur de theta, les propriétés de la tension interfaciale et la possibilité de transitions d'orientation des couches lamellaires à l'interface. Ce dernier point est vérifié expérimentalement dans un système ferrolyotrope.
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