CHAPITRE II

F Quelques observations sur les couches minces des liquides nématiques.

Les couches minces des liquides nématiques présentent, suivant la manière dont on les prépare, et suivant les surfaces qui les limitent, différentes structures qui ont fait l’objet de nombreuses études. Chacune de ces structures a reçu un. nom qui indique bien la constitution de leur édifice.

1° Structure homéotrope dans laquelle les axes optiques du liquide sont perpendiculaires aux deux parois qui limitent la couche mince. Cette structure se reconnaît en ce que le champ d'observation, entre nicols croisés, reste noir pour toutes les positions de la préparation comme tout uniaxe taillé perpendiculairement à l’axe. Il suffit de toucher le couvre-objet pour provoquer une déformation de la structure qui se traduit par l’apparition fugitive de lumière, la structure reprenant sa forme primitive aussitôt que le couvre-objet reprend sa position d'équilibre.

29 Structure à plages dans laquelle les axes optiques ont une orientation uniforme dans toute une plage d’étendue plus ou moins grande. Entre nicols croisés, on obtient l’exünction pour deux directions rectangulaires quand la préparation tourne dans son plan. Si l’extinction a lieu quand les nicols font entre eux un angle différent.de go°, on a la structure à plages tordues. |

3° Structure à noyaux, dans laquelle les axes optiques ont une orientation qui varie d’une manière continue d’un point à l’autre de la préparation. Dans une telle structure, il

peut se produire des points de convergence autour desquels les axes optiques s’orientent dans toutes les directions, soit qu'ils rayonnent à partir de ces points, soit qu’ils s’enroulent autour de ces points dénommés noyaux. Entre nicols croisés, on observe, partant des noyaux, deux ou quatre branches noires qui balayent toute la préparation quand celle-ci tourne de 360° dans son plan.

Telles sont les structures bien définies, faciies à reconnaitre, qui caractérisent les couches minces des liquides nématiques.

J'ai tout d’abord obtenu ces structures en suivant les indications données soit par G. Friedel (1), soit par Ch. Mauguin (3) et c’est en cherchant les causes de certains insueccès que j'ai été conduit aux modes opératoires que j'indique.

La conclusion de cette étude, valable seulement pour le p-azoxyanisol, est que la structure homéotrape est la seule structure que l’on peut obtenir lorsque la couche mince de liquide nématique est limitée par deux surfaces de verre propres. Le critère de propreté des lames est le mouillage par l’eau. Au contraire, avec des lames de verre souillées volontairement, les structures à plages et à noyaux, qui ne sont que fugitives entre verres propres, se trouvent stabilisées. Dans le cas où les parois sont propres, on peut laisser cristalliser le liquide nématique, la préparation refondue, présentera toujours la structure homéotrope. Au contraire, ‘dans le cas où les parois ne sont pas rigoureusement propres, la cristallisation laissera un souvenir sur la structure

dans l’état nématique.

Mode opératoire. — 1° Séructure homéotrope, — La couche mince de p-azoxyanisol est limitée par deux surfaces de verre. Les lames sont nettoyées par d'abondantes vapeurs

nitreuses obtenues en versant quelques gouttes d’alcool éthylique sur de l’acide nitrique ; puis elles sont lavées rapi-

dément à l’eau courante et longuement dans une eau bidis-

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tillée. Elles sont manipulées avec des pinces en verre préalablement passées dans la flamme de la lampe à alcool, séchées rapidement par leur bord sur un papier-filtre pour enlever la plus grande partie de l’eau qu’elles retiennent et présentées à la flamme de la lampe à alcool pour compléter leur séchage, puis, placées dans un four électrique maintenu à une température légèrement supérieure au point de clarification. Il faut placer rapidement le couvre-objet sur la lame porte-objet pour éviter que les surfaces de verre, que le liquide va baigner, soient souillées par les vapeurs émanant du four et venant se condenser sur les lames plus froides, ou par l’air ambiant qui est toujours souillé. Les cristaux du corps nématique sont placés sur la lame porte-objet au voisinage du couvre-objet. Dès que ces cristaux sont fondus, le liquide passe par capillarité entre les deux verres. On obtient ainsi, pour le p-azoxyanisol, la structure homéotrope dans laquelle les axes optiques sont perpendiculaires aux surfaces de verre. En particulier, j'ai constaté qu’il suffisait de toucher avec les doigts les lames quand elles sont humides, pour ne plus obtenir la structure hôméotrope.

Quand on a préparé une belle structure homéotrope, et que l’on a laissé cristalliser, une nouvelle fusion donnera toujours cette même structure sans aucun souvenir de la cristallisation, alors que, dans les structures à plages ou à noyaux, on atoujours un souvenir de la cristallisation. C’est ce souvenir d’une structure antérieure qui incitait à suppo-° ser que les couches minces de liquide nématique étaient limitées par des couches superficielles adhérentes aux parois dans les structures à plages ou à noyaux et que les couches s'orientaient, au contraire, librement, dans la structure homéotrope. Cependant cette hypothèse se heurtait à une difficulté : dans les larges gouttes suspendues sur un trou percé dans un couvre-objet, ce n’est pas la structure homéotrope qui s'établit comme on devrait s'y attendre. Il me semble plus logique d'admettre que la structure homéotrope qui

s'établit entre deux lames de verre est due au champ de forces existant entre les deux parois planes et que ce champ, relativement faible, ne peut intervenir que s’il agit seul, c'est-à-dire si les parois sont absolument propres. Cette orientation serait de même nature que l'orientation du liquide nématique dans un clivage de mica. La seule différence est que, dans le cas du mica, le champ préexiste, tandis que dans le cas du verre, il s’agit probablement du champ dépolarisant induit par les moments électriques des molécules du liquide.

On pouvait supposer que c’est la pression exercée par le poids du couvre-objet sur le liquide qui provoquait la struc-

ture homéotrope. Il n’en est rien puisque celle-ci s'établit

aussi bien lorsque le couvre-objet repose sur des cales placées sur le porte-objet. En disposant la préparation dans une enceinte à température bien uniforme, j'ai obtenu ainsi des structures homéotropes jusqu’à des couches de o mm. 5 d'épaisseur.

Une préparation qui ne couvrait pas tout le champ d’observation a montré, à la limite d’une structure homéotrope, le long des bords de la préparation, un ruban étroit plus ou moins lumineux. Dans cette région les axes optiques sont inclinés sur les parois. Entre nicols croisés, le champ d’observation, noir pour la plage homéotrope, reste noir le long du filet lumineux quard la tangente au contour de la plage est parallèle à l’une des deux directions rectangulaires que laissent passer les nicols® Dans l'observation avec un seul nicol, le filet lumineux s’assombrit quand la tangente au contour est parallèle à la direction que laisse passer le nicol. Or, pour le p-azoxyanisol, la vibration extraordinaire est la plus absorbée; la projection de l’axe optique sur la lame donne la direction de cette vibration. Il en résulte que tout le long des bords de la plage homéotrope, il ÿ a une zone où les axes optiques ont une composante horizontale tangente

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au contour de la plage homéotrope. Cette nouvelle orientation serait due au voisinage de la surface libre.

20 Structure à plages. — On connaît le procédé indiqué par Ch. Mauguin pour obtenir de belles plages à orientation constante. Il consiste à provoquer une cristallisation lente. Après fusion des cristaux, l’état nématique apparaît avecune structure qui ne diffère pas dela structure cristalline du point de vue de l’orientation des axes optiques. Ce procédé ne peut être utilisé dans le cas de verres rigoureusement propres pour lequel il n’y a pas souvenir de la structure antérieure. P. Chatelain (5) a indiqué un autre procédé très curieux qui permet d’obtenir également une structure à plage étendue. Il consiste à frotter simplement chacune des surfaces de verre que va baigner le liquide, sur du papier-filtre suivant une direction fixe : les deux lames de verre sont alors posées l’une sur l’autre en faisant coïncider les directions de frottement. Les axes optiques du liquide nématique s’orientent dans cette direction. J'ajouterai une variante à la méthode de Chatelain qui montre bien que la structure à plages et la structure à noyaux sont des structures stabilisées par les impuretés sur les surfaces de verre. Les disques porte-objet et couvre-objetsont logés successivement dans une pièce fixée sur la contre-pointe d’un tour. Ils sont ensuite frottés sur du papierfiltre collé à une pièce fixée sur le mandrin tournant. Il suffit alors de bien centrer les deux disques appliqués l’un sur l’autre, pour obtenir, par passage du liquide nématique entre eux, une belle structure, préSentant, entre nicols croisés, la croix noire. C’est l’analogue d’une structure à noyaux où il n’y aurait qu'un seul noyau au centre de la préparation. Si les disques de verre, après avoir subi cette sorte de polissage, sont lavés aux vapeurs nitreuses et rincés à l’eau, ils ne produisent plus sur le liquide nématique cette structure rayonnée ; c'est la structure homéotrope qui s'établit montrant ainsi que l’orientation précédente n’était pas due à une modification de la surface de verre mais probablement

à une orientation, par le frottement de particules organiques qui se fixent aux parois de verre, constituant une sorte de canevas sur lequel le liquide nématique s'oriente.

Voici une autre expérience qui montre que la structure à plages et la structure à noyaux ne sont que deux aspects extrêmes d'une même structure imposée par les conditions dans lesquelles s’est formé l'état nématique. Les lames de verre sont souillées par un film d’acide oléique obtenu en plaçant une goutte d’une solution de cet acide dans le benzène, sur les lames humides. Deux fils de verre parallèles sont interposés entre les lames et servent de cales ; ils forment un canal étroit (diamètre des fils, o mm. 2; largeur du canal, 1: mm. 2). Le liquide qui passe dans ce canal, à l’état nématique, présente une structure intermédiaire entre la structure à plages et la structure à noyaux. Entre nicols croisés, on observe une bande noire parallèle à la direction du canal ; en faisant tourner la préparation dans son plan, cette bande se déplace en gardant la même direction. Cette structure est l’analogue d’une structure à noyaux sans points de convergence ou encore d’une structure à plages étroites allongées. Cette manière de voir est en accord avec l’observation de F. Grandjean selon laquelle entre deux grandes plages d'orientation différente, le passage d’une orientation à l’autre n’est pas discontinu.

30 Structure à noyaux. — De même que la structure à plages, cette structure n’est que fugitive pour le p-azoxyanisol pur, en couche mince, limitée par deux surfaces de verre propres. Au contraire, la structure à noyaux s'obtient facilement dans un autre procédé d'investigation des liquides nématiques en couches minces. Il consiste à suspendre une large goutte liquide sur un trou circulaire percé dans des lames minces de verre, de mica ou d’argent. J'ai utilisé des lames depuis une épaisseur de o mm. 2 (lamelle couvreobjet, feuille d'argent) jusqu’à une épaisseur de quelques

dizaines de microns (mica). Le diamètre du trou variait de *

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1 à 3 mm. Ce diamètre était toujours au moins 10 fois plus grand que l’épaisseur de la lamelle. Suivant la quantité de liquide suspendue, la goutte avait la forme d’une lentille biconcave, ou d’une lentille concave-convexe, la surface supérieure étant toujours concave. Le liquide nématique est placé sur la lamelle, puis il est balayé avec un fil de verre de manière à le mettre en suspension sur le trou. Quand les mouvements de convection cessent, la structure du liquide apparaît sous forme de structure à demi-noyaux (entre nicols croisés, deux branches noires). Le passage au liquide isotrope s’effectue sans rupture de la lame mince, de même que le passage à l’état cristallin. L'état nématique apparaît au sein du liquide isotrope sous forme de petites gouttes d’abord séparées les unes des autres. Entre nicols croisés, chacune de ces gouttes présente la croix noire indiquant une structure à symétrie sphérique. Les gouttes nématiques grossissent aux dépens du liquide isotrope en conservant cette structure, Quand deux gouttes viennent à se toucher, on peutavoir soit deux noyaux différents, soit une réorganisation des axes optiques dans chaque goutte pour donner un seul noyau. On a finalement une structure générale à noyaux (cliché n° 8) [face page 48]. Les noyaux ont tendance à disparaître mais il en subsiste parfois accrochés à quelque aspérité du bord ou parfois il n’en subsiste qu'un seul au centre de la préparation ; certaines préparations n’en présentent même plus du tout et l’aspect du champ entre nicols croisés montre quelques branches noires qui ne se rejoignent pas. En piquant la préparation nématique avec un fil de verre, on constate qu’il se forme des demi-noyaux aux endroits touchés. Sur une lamelle d'argent de o mm. o5 d'épaisseur percée à 2 mm., il est facile d'observer une préparation à l’état nématique séparée des bords du trou par une couronne de liquide isotrope. La structure nématique n’est pas modifiée du fait que cet état s'étend jusqu'aux parois ou bien qu’il en est séparé par du liquide isotrope. En lumière monochromati:

LA

que, entre nicols croisés, quand le liquide nématique conserve unestructure stable, on observe, suivant l'épaisseur de la lame liquide, un grand nombre d’anneaux d’interférence circulaires localisés dans la lame. Si la préparation ne présente qu'un seul noyau au centre ou si elle n’en présente aucun, les franges d'interférence ont leur centre confondu avec celui de la préparation. Quand la température s'élève, on constate que, dans le cas où la lame présente la forme d’une lentille convergente, les anneaux se contractent et s’évanouissent au centre, et dans le cas où la lame a la forme d’une lentille divergente, les anneaux naissent au centre et se dilatent. Les anneaux d'interférence subsistent aussi réguliers même si l’état nématique ne s'étend pas jusqu'aux parois.

Ces observations éliminent l’action des parois et il est ainsi plus facile de se rendre compte de l’action des champs de force extérieurs qui sont responsables de l’orientation du liquide. Les anneaux observés sur ces couches minces proviennent de l'interférence entre rayon ordinaire et rayon extraordinaire. La différence de marche entre ces deux rayons est donnée par le produit e(n — n,) de l'épaisseur du liquide par la biréfringence au point considéré. Dans toute région dont la distance au noyau le plus proche est grande par rapport à l'épaisseur de la lame, les axes optiques, s'ils sont déterminés par des forces directrices provenant des noyaux, sont parallèles aux surfaces de la lame. Cette conclusion est d'accord avec l’invariance du diamètre des anneaux d’interférence quand on soumet la préparation à l’action du champ magnétique; si les axes optiques ne se trouvaient pas dans le plan de la lame avant l'application du champ, ils changeraïent d'inclinaison sous l’action du champ magnétique et les anneaux devraient se déplacer. Dans toute la lame liquide, sauf au voisinage des noyaux, la biréfringence est alors donnée par la différence (n. — n,) des indices extraordinaire et ordinaire, et la différence de marche es

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proportionnelle à l'épaisseur du liquide. Le déplacement des anneaux d’interférence quand la température varie est en accord avec les mesures de P. Chatelain (5) qui indiquent que la biréfringence diminue quand la température augmente.

Observons maintenant une couche mince de p-azoxyanisol entre deux lames de verre bien propres, maintenue à une température voisine du point de clarification, et agissons sur le courant de chauffage pour observer, dans le champ du microscope, le passage isotrope-nématique et le passage inverse. Comme l'indique la figure 3, on distingue trois

Fig. 3. — Passage nématique-isotrope entre lames de verre.

régions entre nicols croisés : une région centrale nématique homéotrope noire, une région extérieure isotrope également noire, et une couronne circulaire éclairée qui montre, en lumière monochromatique, quelques anneaux d’interférence noirs. Ces anneaux sont dus à l’interférence entre rayons ordinaires et extraordinaires dans leur passage à travers le liquide nématique. Dans cette région les axes optiques ne sont plus perpendiculaires aux surfaces de verre. Outre les anneaux, cette région médiane montre une structure à noyaux qui proviendrait des gouttes nématiques qui se forment au sein du liquide isotrope, gouttes qui présentent la croix noire entre nicols croisés. Aussitôt que le liquide nématique baigue les deux parois de verre, cet aspect disparaît, et c’est la structure homéotrope qui subsiste. Il est intéressant de suivre cette expérience entre verres attaqués par l'acide fluor-

hydrique. L'attaque par l’acide est rendue sensible par l’observation des franges au passage nématique-isotrope. Ces franges sont déchiquetées. La structure à noyaux subsiste dans tout l’état nématique entre verres qui ont subi cette attaque (G. Friedel).

Nous avons vu que pour stabiliser la structure à noyaux entre lames de verre il fallait souiller les lames. Je dépose, sur les verres préalablement nettoyés, une goutte d’une solution d'acide oléique dans le benzène. Après évaporation du benzène, l’acide oléique subsiste sur les parois de verre. Le p-azoxyanisol introduit entre deux lames ainsi préparées, présente, à l'état nématique, une structure à noyaux stable. D'ailleurs, il suffit de souiller une seule des lames pour stabiliser cette structure. Les gouttes nématiques formées au sein du liquide isotrope ont produit une structure à noyaux qui n'est pas chassée par la structure homéotrope.

Une préparation de p-azoxyanisol, entre lames qui n'avaient pas été volontairement souillées, a donné une très belle structure à noyaux; j'ai constaté à diverses reprises que, plus les lames de verre étaient propres, moins il apparaissait de noyaux ; dans le cas où le nombre de noyaux est petit, on peut observer que leur position dépend du gradient de température pendant le refroidissement.

Enfin, j'ajouterai à ces observations quelques expériences effectuées sur les couches minces soumises à l’action d’un champ électrique ou d’un champ magnétique. Elles vont nous donner quelques renseignements nouveaux sur la structure à noyaux. Je m’étendrai plus longuement sur ces expériences dans le chapitre IV pour le champ électrique et dans le chapitre V pour le champ magnétique.

Le p-azoxyanisol est placé entre deux lames de verre séparées par deux feuilles d’étain constituant les électrodes : épaisseur de la feuille o mm. 05, distance entre électrodes omm. 5. Dansun champ électrique continu de 1 000 volts/cm., le liquide nématique est le siège de tourbillons cellulaires

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avec leur cortège de fils nématiques. Le champ électrique supprimé, il apparaît, dans chaque cellule, une structure à noyaux qui dure quelques secondes et c'est la structure homéotrope qui existait avant l'application du champ électrique, qui réapparaît enfin. Lorsque la structure primitive n’est pas homéotrope, les noyaux qui se forment après coupure du champ électrique, au lieu d’être fugitifs, sont stables.

Une lame mince de liquide nématique est suspendue sur un trou. Placée dans l’entrefer d’un électro-aimant de telle sorte que le champ magnétique, d’une intensité d’un millier de gauss, soit parallèle au plan de la lame, on constate que la structure à noyaux disparaît pour faire place, au bout de quelques secondes, à une orientation des axes optiques parallèle au champ magnétique. Quand on supprime le champ, les axes optiques reprennent une position rappelant celle qu’ils avaient avant l’application du champ ; mais ce retour est lent : il s'effectue de proche en proche à partir des noyaux, de même que l'orientation, par application du champ, s'effectue dans toute la masse avant d'atteindre les régions voisines des noyaux. L'action du champ magnétique sur la structure à noyaux n’est donc pas instantanée, elle se fait de proche en proche en s’avançant vers les noyaux. Il semble même que dans les champs faibles, l’orientation n’arrive pas Jusqu'au noyau. Par suppression du champ, on voit la structure antérieure revenir lentement, comme si les noyaux étaient les centres d'orientation. |

Il semble possible d’expliquer toute la géométrie si curieuse de la structure à noyaux en considérant qu’elle s’établit dans un liquide nématique comme trace d’un mouvement tourbillonnaire qui s’est arrêté. C’est bien le cas, cité plus haut, d'une couche mince soumise à un champ électrique : le liquide s’est partagé entre les électrodes en cellules tourbillonnaires ; quand on supprime le champ électrique, chaque cellule présente l'aspect d'un noyau à quatre branches

noires entre nicols croisés. Il en est de même dans lecas d’une large goutte suspendue, disposée dans une enceinte où la température n'est pas bien uniforme : les mouvements de convection, quand ils sont violents, donnent lieu à de nombreux fils nématiques ; ces mouvements se ralentissant pour une température plus uniforme de l’enceinte, les fils nématiques disparaissent pour laisser place à une structure avec un ou deux noyaux en déformation de plus en plus lente jusqu’à limmobilité quand les mouvements de convection s’arrêtent. D'ailleurs, l'aspect souvent spiralé des branches des noyaux indique de plus quel était le sens derotation du mouvement tourbillonnaire dont il a pris la place. Au sein du liquide isotrope, les gouttes nématiques qui se forment, au refroidissement, ont un mouvement de rotation qui produit l’orientation de tout le liquide qui vient s’enrouler autour d'elles.

En prenant quelques clichés d’une même structure à noyaux et demi-noyaux, pour différentes positions des nicols croisés, on peut tracer les lignes optiques de la préparation (ligne telle qu’en chaque point l’axe optique lui est tangent). On constate que les axes optiques sont enroulés en spirales autour de centres qui sont les noyaux entiers ou deminoyaux tournants suivant que les spirales s'enroulent plus ou moins autour du point de convergence. L'hypothèse suivant laquelle chacun de ces centres est l'axe, vu en bout, d’un tourbillon freiné par la viscosité du liquide, me semble très vraisemblable. La formation de noyaux entiers et deminoyaux « fixes » proviendrait de la rencontre de volumes tourbillonnaires voisins.

En résumé, mes observations sur les structures nématiques, à plages, à noyaux, à fils, montrent que ces structures, qui se forment quand le liquide est en mouvement, présentent une disposition des axes optiques qui est due à l’orientation par le mouvement du liquide. Ces structures ne subsistent dans l’état nématique que si l’action des parois est masquée. Si les parois sont propres, leur action sur Île liquide nématique est cause de la structure homéotrope.