Défauts topologiques dans les films mince de cristal liquide smectic A - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Topological defects in smectic A liquid crystal thin films

Défauts topologiques dans les films mince de cristal liquide smectic A

Jean de Dieu Niyonzima
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1365306
  • IdRef : 276485424

Résumé

Due to their ubiquitous and versatile nature, the topological defects have been the subject of a great interest for over a century in different research areas 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 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 smectic layers superimposed into flattened hemicylinders. We have theoretically determined the relationship between the integrated Bragg intensity, the Full width at Half maximum of the scattered peak and the number of scattering rotating smectic layers. This allowed us to reconstruct with precision the internal structure of these thin smectic films. We have evidenced that three different kinds of topological defects coexist inside these thin smectic films, dislocations, disclination and 2D topological grain boundaries, all oriented in the direction parallel to the axis of the hemicylinders. The rotating smectic layers that connect these defects display an unusually strong increase of their interlayer spacing close to the hemicylinder curvature center. A minimization of the elastic energy leads to a quantitative relationship between the interlayer spacing and the curvature radius of the smectic layers in perfect agreement with the experimental data. This interlayer spacing appears to be not only at the origin of the dislocation formation but also at the origin of a chevron formation in the middle of the hemicylinders. We have then analyzed the evolution of the structures as a function of the film thickness. We found that it is essentially the disinclination zone that manages the change in structure as the thickness increases due to the need to decrease the surface energy of the smectic film. This allowed us to show in particular how the size of the disclination core can be controlled by the thickness of the smectic film.
En raison de leur nature omniprésente et polyvalente, 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, la structure locale des défauts topologiques reste en général mal connue. Les films minces de cristaux liquides smectiques confinés qui peuvent conduire facilement à la formation de défauts topologiques sont utiles dans ce cadre car ils permettent d'utiliser la diffusion des rayons X pour les étudier 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 du Synchrotron Soleil, nous avons étudié la structure interne d'un réseau de défauts topologiques smectiques orientés dans des films minces 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 (perpendiculaire). Ces films sont composés de couches smectiques superposées en hémicylindres aplatis. Nous avons déterminé théoriquement la relation entre l'intensité de Bragg intégrée, la largeur maximale à mi-hauteur du pic diffusé et le nombre de couches smectiques qui tournent au sein des hémicylindres. Cela nous a permis de reconstruire avec précision la structure interne de ces films minces. Nous avons démontré que trois types différents de défauts topologiques coexistent à l'intérieur de ces films minces smectiques, des dislocations, des disinclinaisons et des joints de grains topologiques bidimensionnels tous orientés dans la direction parallèle à l'axe des hémicylindres. Les couches smectiques qui relient tous ces défauts présentent une dilatation anormalement forte de la distance inter-couches à proximité du centre de courbure des hémicylindres. Une minimisation de l'énergie élastique conduit à une relation quantitative entre cette distance et le rayon de courbure des couches smectiques en parfait accord avec les données expérimentales. Cette dilation est à l'origine non seulement de la formation des dislocations mais aussi de la formation d'un chevron au milieu des hémicylindres. Nous avons ensuite analysé l'évolution des structures en fonction de l'épaisseur du film. Nous avons constaté que c’est essentiellement la zone de disinclinaison qui gère le changement de structure quand l'épaisseur augmente à cause de la nécessité de diminuer l'énergie de surface du film smectique. Cela nous a permis de montrer en particulier comment la taille du cœur de disclinaison peut être contrôlée par l'épaisseur du film smectique.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04645841 , version 1 (12-07-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04645841 , version 1

Citer

Jean de Dieu Niyonzima. Défauts topologiques dans les films mince de cristal liquide smectic A. Matière Molle [cond-mat.soft]. Sorbonne Université, 2023. Français. ⟨NNT : 2023SORUS660⟩. ⟨tel-04645841⟩
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