Behavior of colloidal particles in thin liquid crystal films
Comportements colloïdaux dans des films minces de cristaux liquides
Résumé
The confinement of colloidal particles in thin liquid films is typically accompanied with interfacial deformations which give rise to long-range capillary forces, attractive in most of the cases. In simple fluids, these capillary forces compete mostly with electrostatic interactions. In thin complex fluid films such as a liquid crystal, other long-range interactions related to bulk distortions of the surrounding fluid appear. The presence of a nematic order drastically changed the long-range interactions between particles via an original elasto-capillarity coupling.
In nematic films much thicker than the particles’ size, a particle gives rise to elastic multipoles formed by the particle and nearby topological defects. In thin nematic films with hybrid anchoring conditions at free surfaces, capillary effects strongly modify the behaviour of the elastic dipoles. For a certain range of film thickness values, two new interesting patterns emerged around isolated particles: the giant dipole and the “butterfly” texture. In the giant dipole, a micron-sized sphere is accompanied by a point defect located at a distance up to several hundreds microns. The situation is quite different in the “butterfly” texture: the particle still produces an accompanying defect in its close neighbourhood, but a π-wall is formed on the opposite side. Using spatially resolved retardation and easy-axis maps, we analysed quantitatively and separately the 2D interfaces deformation and the nematic textures. Both behaviours are due to the same axisymmetric capillary deformation of the thin film around the beads but with different boundary conditions for the polar 2D c-director. Using numerical simulations, we were able to reproduce the patterns found in the films. Although capillary interactions between inclusions in a thin film are always attractive, these new spontaneous organizations in thin nematic films offer new ways to self-assemble complex colloidal systems in 2D.
Le confinement des microparticules dans un film mince de fluide isotrope est généralement accompagné d’une déformation des interfaces qui donne naissance à de fortes interactions capillaires entre colloïdes, de nature attractive dans la plupart des cas. La situation devient différente lorsqu’il s’agit d’un film mince de fluide complexe à l’exemple du cristal liquide nématique. Nos études ont été alors consacrées au cas des colloïdes piégés dans un film nématique mince étalé sur un liquide isotrope. Lorsque l’épaisseur du film nématique devient inférieure à la taille des colloïdes, l’apparition d’effets capillaires engendre deux nouvelles géométries élastiques autour des particules : Le dipôle élastique géant et la texture « papillon ». La particule dans le cas du dipôle géant est accompagnée de son contre-défaut localisé à une distance qui dépasse 100 fois sa taille. La texture « papillon » est cependant caractérisée par la présence du défaut topologique qui reste très proche de la particule d’un côté et d’une paroi π de l’autre côté. En exploitant les cartes du vecteur directeur bidimensionnel c et de la mesure du retard optique, nous avons analysé quantitativement et séparément la déformation capillaire et les textures élastiques du nématique. Dans les deux géométries observées, la déformation capillaire axisymétrique tend à imposer une orientation radiale au vecteur c autour des colloïdes mais avec des conditions topologiques différentes. En utilisant des simulations numériques nous avons retrouvé les textures élasto-capillaires observées expérimentalement. Finalement, nous avons montré que les distorsions élastiques autour des colloïdes piégés entrainent des forces élastiques à grande distance qui entrent en compétition avec les forces capillaires pour modifier l’auto-organisation des colloïdes aux interface du film nématique mince.