Structural relations between lyotropic phases in the vicinity of the nematic phases

Abstract

2014 Les phases « nématiques lyotropes » sont des fluides anisotropes, solutions aqueuses d'agrégats anisotropes finis de molécules amphiphiles. Leur comportement nématique (écoulement, orientation en champ magnétique) résulte des corrélations orientationnelles entre ces agrégats. Ces phases représentent dans le domaine des cristaux liquides lyotropes des états d'ordre intermédiaire entre les phases ordonnées, lamellaire, hexagonale ou cubique et les phases micellaires totalement désordonnées. Dans ce manuscrit on tente de dégager les conditions qui sont à l'origine de l'apparition des phases nématiques dans le système décyl sulfate de sodium/1-décanol/eau. A cette fin on explore le diagramme de phase au voisinage de celles-ci. Les différentes phases sont identifiées par leurs textures et leurs structures sont déterminées par dif- fraction de rayons X aux petits angles. A partir de ces études on peut dégager les effets induits par la variation en concentration de deux paramètres importants, à savoir le décanol et l'eau. Quand la concentration en décanol augmente on observe que la courbure interfaciale des agrégats amphiphiles décroît (une phase hexagonale dont les agrégats sont des cylindres infinis est progressivement substituée par une phase lamellaire; les phases intermédiaires sont soit des phases dont les agrégats sont des rubans infinis, soit dans certains cas des phases nématiques). Par ailleurs lorsque la teneur en eau augmente, la courbure interfaciale des agrégats amphiphiles croît et les agrégats se désordonnent progressivement (une phase lamellaire est dans un premier temps substituée par une phase dont les agrégats sont des rubans infinis, ensuite une phase « nématique » dont les agrégats sont des sphéroïdes prolats apparaît, puis une phase « nématique » dont les agrégats sont des sphéroïdes oblats pour atteindre enfin une phase micellaire totalement désordonnée). Le décanol et l'eau déterminent donc la forme, les dimensions et l'organisation des agrégats de manières antagonistes : on peut considérer que les phases « néma- tiques lyotropes », localisées dans un domaine très étroit du diagramme de phase, résultent d'un compromis entre les actions conjuguées de ces deux paramètres. 2014 « Nematic lyotropic » phases are anisotropic fluids made of aggregates of amphiphilic molecules dispersed in water. Their nematic behaviour (flow, orientation in a magnetic field) is related to the orientational correlations between the aggregates which are anisotropic particles of finite dimensions. Therefore they are examples in the field of lyotropic liquid crystals of intermediate states of organization between the well known ordered lamellar, hexagonal or cubic phases and the totally disordered micellar phases. This paper presents an attempt to determine the conditions governing the occurrence of nematic phases in the system sodium decyl sulfate/1-decanol/water. For this purpose the ternary phase diagram is investigated in the vicinity of the nematic phases, first the various lyotropic phases are recognized according to their textures, then their structures are determined through small angle X-ray scattering. From these observations the effects induced by changing the two most obvious parameters, the concentrations of decanol and water, are as follows. When the phase diagram is crossed towards increasing decanol concentration the curvature of the amphiphile-water inter- face decreases (an hexagonal phase made of infinite cylinders is replaced by a lamellar phase, intermediate phases made of infinite ribbons and in some cases « nematic » phases may appear in between). On the other hand, when the water content is increased, the curvature of the amphiphile-water interface increases and the stacking of the aggregates becomes more disordered (a lamellar phase is first replaced by a phase made of infinite ribbons, thereafter by a « nematic » phase made of prolate spheroids, then by a « nematic » phase made of oblate spheroids or discs, and finally by a fully disordered micellar phase). Therefore decanol and water control the shapes, sizes and packing of the aggregates along antagonistic ways and the « nematic » phases, which occupy a very limited area in the phase diagram may be considered as resulting from the delicate interplay of these two parameters.