Amphithéâtre Charpak (au pied de la tour 22)
Jean de Dieu Niyonzima, doctorant dans l’équipe Physico-chimie et dynamique des surfaces
Topological defects in smectic A liquid crystal thin film
Résumé
La rupture de la symétrie continue dans les systèmes ordonnés entraîne des défauts topologiques, qui sont les endroits où l’ordre se fond. En raison de leur nature omniprésente et de leur polyvalence, les défauts topologiques suscitent un grand intérêt depuis plus d’un siècle dans différents domaines de recherche tels que la cosmologie, la biologie et la physique de la matière condensée. Ils jouent un rôle important dans la détermination des propriétés dynamiques et statiques des matériaux qui les hébergent. Les défauts topologiques des cristaux liquides Smectic A se sont révélés capables d’attirer, de piéger et d’orienter les nanoparticules dans différents réseaux au cœur de leurs défauts.
Cependant, leur structure intime reste insaisissable. Les cristaux liquides sont des systèmes de laboratoire pour étudier les défauts topologiques. Les films minces de cristaux liquides smectiques confinés qui peuvent conduire à la formation de défauts topologiques sont utiles car ils permettent d’utiliser la diffusion des rayons X pour étudier les défauts avec une résolution sans précédent. En utilisant la diffusion des rayons X aux petits angles en incidence rasante (GISAXS) sur la ligne de faisceau SIXS de l’installation Soleil Synchrotron, nous avons étudié la structure interne d’un réseau de défauts topologiques smectiques orientés dans de minces films de cristaux liquides smectiques- A de 4-n-octyl-4′-cyanobiphényle (8CB) confinés entre deux ancrages antagonistes forts imposés par le substrat d’alcool polyvinylique (planaire unidirectionnel) et l’air (homéotropique).
Nous avons étudié un film de 180 nm d’épaisseur et constaté qu’il est composé d’hémicylindres aplatis constitués d’une couche smectique superposée. Nous avons déterminé la relation entre l’intensité de Bragg intégrée I(α) et le nombre N(α) de couches smectiques diffusantes, dont la normale, parallèle au transfert du vecteur d’onde, q, fait un angle alpha avec le substrat. En outre, une relation entre la largeur maximale à mi-hauteur et le nombre N(α) de couches de diffusion smectiques a également été déterminée. Ces deux relations ont permis de reconstruire avec précision la structure interne des stries huileuses.
Nous avons mis en évidence différents défauts topologiques qui coexistent à l’intérieur de ces stries huileuses. Il s’agit en particulier des dislocations, de la disclinaison et des joints de grains topologiques 2D, tous orientés dans la direction parallèle à l’axe de l’hémicylindre. Pour ce film, nous avons constaté que la partie centrale de l’hémicylindre est constituée d’une structure en chevron avec un angle d’inclinaison de 1°. Nous avons ensuite analysé l’évolution de cette structure en fonction de l’épaisseur du film et constaté que la zone de disclinaison changeait en fonction de l’épaisseur du film. La structure en chevron disparaît progressivement avec l’augmentation de l’épaisseur du film. De plus, nous avons constaté que la structure près du centre de courbure de l’hémicylindre était la même pour toutes les épaisseurs de film que nous avons utilisées (180nm, 200nm, 230nm et 255 nm).
Abstract
The breaking of continuous symmetry in ordered systems results in topological defects, which are the places where the order melts. Due to their ubiquitous nature and versatile, the topological defects have been of a great interest for over a century in different research area such as cosmology, biology and condensed matter physics. They are important in the determination of dynamic and static properties of the material that host them. Smectic A liquid crystal topological defects have been shown to be able to attract, trap and orient nanoparticle into different networks in their defect cores.
However, their intimate structure remains elusive. Liquid crystals are laboratory systems to study topological defects. The confined smectic liquid crystal thin films that can lead to the formation of topological defects are useful since they allow for the use of X-ray scattering to study the defects at an unprecedented resolution. Using Grazing Incident Small-Angle X-ray Scattering (GISAXS) on the SIXS beamline of Soleil Synchrotron facility, we studied the internal structure of an array of oriented smectic topological defects in thin smectic-A liquid crystal films of 4-n-octyl-4’-cyanobiphenyl (8CB) confined between two strong antagonistic anchoring imposed by Polyvinyl alcohol substrate (planar unidirectional) and air (homeotropic).
We studied a film of 180 nm thickness and found that it is composed of flattened hemicylinders made of superimposed smectic layer. We have determined the relationship between the integrated Bragg intensity I(α) and the number N(α) of smectic scattering layers, whose normal, parallel to the wave-vector transfer, q, makes an angle alpha with the substrate. Moreover, a relation between the Full width at Half maximum and the number N(α) of smectic scattering layers was also determined. The two relationship have helped to reconstruct with precision the internal structure of the oily streaks.
We have evidenced different topological defects that coexist inside this oily streak. These are in particular the dislocations, disclination and 2D topological grain boundary, all oriented in the direction parallel to the axis of the hemicylinder. For this film, we have found that the central part of the hemicylinder is made of a chevron structure with a tilt angle of 1°. We have then analysis the evolution of this structure as a function of the film thickness and found that the disclination zone changing as a function of the film thickness.
The chevron structure gradually disappeared as the film thickness increases.Furthermore, we found that the structure near the center of curvature of the hemicylinder was the same for all film thickness that we have used (180nm, 200nm, 230nm and 255 nm).
Jury
- Mme Marianne Impéror, Directrice de recherche (LPS – Orsay) – Rapportrice
- M. Frédéric Nallet, Professeur (Université de Bordeaux) – Rapporteur
- M. Christophe Blanc,Chargé de recherches (laboratoire Charles Coulomb) – Examinateur
- M. Laurent Michot, Directeur de recherche (PHENIX-Sorbonne Université) -Examinateur
- Mme.Emmanuelle Lacaze Directrice de recherche (INSP-Sorbonne Université) – Directrice de thèse
