CHAPITRE IV

Liquides nématiques dans le champ électrique.

L’action du champ électrique sur les liquides nématiques a été l’objet d’un grand nombre de travaux. Cette action s’est présentée sous un aspect contradictoire dans les observations optiques, d’une part, et les observations aux rayons X, d’autre part. |

Yngve Bjürnstahl fut le premier à constater la production - d’un grand nombre de fils nématiques dans le champ électrique. G. Friedel (1) a interprété ce comportement en admettant que le champ électrique erientait les axes optiques de ces liquides dans une direction perpendiculaire aux lignes de force. Il en déduit que les axes optiques vont s’enrouler autour de la direction du champ électrique en une structure à fils nématiques.

W. Kast (9) effectue des observations aux rayons X sur le p-azoxyanisol soumis à des champs électriques continus et alternatifs. Rappelons brièvement les conditions expérimentales et les résultats de son travail :

Les électrodes sont en platine de 3 X 6 mm, distantes de 4 à 5 mm.; l'épaisseur du liquide est de 1 à 2 mm. Les rayons X par passage à travers le liquide nématique donnent des diagrammes de fibres. Pour un champ électrique continu de 500 volts/em., l'orientation du p-azoxyanisol est parallèle à la direction du champ ; cette orientation devient plus nette dans un champ plus intense de 7200 volts/cm. Pour un champ alternatif de 50 pér./sec. et 5oo volts/cm., l’orientation est plus nette que dans le champ continu de même inten-

re. 4

sité; lorsque la fréquence augmente, l'orientation devient de plus en plus nette jusqu’à 5o 000 pér./sec., puis diminue, pour disparaître à une fréquence de 300000 pér./sec., enfin, pour 600 000 pér./sec., on observe une orientation très nette dans la direction perpendiculaire à celle du champ électrique.

Il y avait donc contradiction entre les observations optiques de G. Friedel et leur interprétation (orientation des axes optiques perpendiculaire au champ électrique) et les observations aux rayons X de W. Kast (orientation parallèle au champ électrique aux basses fréquences et perpendiculaire au champ électrique aux fréquences élevées).

K. Herrmann, A. H. Krummacher et K. May (ro) reprennent les observations optiques ainsi que les observations aux rayons X. Ils retrouvent l'orientation parallèle au champ électrique continu au moyen des rayons X. Ils observent, au microscope, des mouvements tourbillonnaires dans des champs électriques continus, et constatent que ces mouvements s'établissent d'autant plus facilement et avec d'autant plus de violence que la couche liquide est plus épaisse. Leur conclusion est la suivante : l'orientation dans la direction du champ est due au mouvement tourbillonnaire du liquide; l'orientation perpendiculaire au champ électrique est la seule réelle : c’est elle qui est cause de la production de fils nématiques dans les couches minces quand le mouvement tourbillonnaire est freiné par l’action des parois.

V. Fréedericksz et V. Zolina (11) observent au microscope polarisant des couches minces de liquides nématiques en structure homéotrope. Ils constatent une action d'orientation dans un champ électrique faible et reproduisent les aspects de la couche en mouvement tourbillonnaire dans un champ plus élevé.

Mes observations, au microscope polarisant, ont porté, d’ane part, sur des couches épaisses de p-azoxyanisol dans des conditions expérimentales voisines de celles de W. Kast,

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d’autre part, sur des couches minces de p-azoxyanisol en structure homéotrope.

Couches épaisses. — Le liquide est contenu dans une petite cuve cylindrique composée d’un anneau de verre de 15 mm. de diamètre et 1o mm. de haut, collé sur un disque de verre. Les électrodes sont en laiton ; elles ont la forme d’une portion de cylindre, ayant le diamètre de l’anneau en verre, coupé par un plan parallèle à son axe; la distance entre les électrodes est de 8 mm. 5. La cuve est recouverte d’une lamelle couvre-objet. L’épaisseur de la préparation à l'état liquide est d'environ 2 mm. 5. La cuve est placée dans un four électrique dont la température est uniforme et constante. Le liquide est observé à l’aide d’un microscope dont le grossissement est 18, par transmission de la lumière. Le champ d'observation a un diamètre de 6 mm.

Le champ électrique continu jusqu’à 200 volts/em. est fourni par une batterie d’accumulateurs. Les champs continus d'intensité plus élevée, jusqu’à 2000 volts/cm., sont obtenus en redressant des champs alternatifs. Pour des fréquences de 50 à 10000 pér./sec., le champ électrique est fourni par un premier oscillateur-amplificateur. La lampe de sortie de cet appareil débite sur le primaire d’un transformateur. On obtient aux bornes du secondaire, des tensions qui peuvent s'élever jusqu’à 850 volts. Pour les fréquences de 50 à 2 000 kilocycles, j'utilise un second oscillateur-amplificateur dont la lampe de puissance débite sur une self; l'onde électromagnétique est captée dans un circuit extérieur par couplage lâche avec une deuxième self. Ce circuit comprend, en série avec la self, un condensateur à air variable. À la résonance, j'obtiens aux bornes du condensateur des tensions s'élevant jusqu’à 2 000 volts. Ces champs de haute fréquence, qui ont donné un résultat négatif du point de vue de la production de fils nématiques, sont redressés par une lampe détectrice placée à la suite du cir-

cuit de surtension. Une résistance de » mégohms en série avec la détectrice permet d'appliquer à la préparation, en dérivation sur cette résistance, presque toute la tension obtenue aux bornes du condensateur de surtension.

La mesure de la tension, jusqu’à 800 volts, s'effectue avec.

un électromètre du type « Curie ». Cet appareil donnait une déviation de 23 cm. 5 pour toute la tension.

La mesure des basses fréquences s’effectue par battements entre la note donnée par des diapasons étalons et celle que donne un diffuseur électrodynamique placé à la sortie de l’amplificateur basse fréquence. Pour l’étalonnage des fréquences données par le second oscillateur, j'utilise un contrôleur d’ondes de 100 à 600 kilocycles ; au delà de cet intervalle, les fréquences sont seulement calculées à partir des indications données par le constructeur sur les selfs.

Quand on applique au liquide, à l’état nématique, un champ électrique continu, on voit apparaître de nombreuses lignes noires plus ou moins incurvées, qui s’allongent dans

la direction du champ et se déplacent suivant cette direction

dans les deux sens. Ces lignes, très longues, ne se terminent pas aux électrodes, mais sont très incurvées à leur voisinage et semblent se prolonger en se dirigeant vers l’électrode opposée. L'introduction dans le liquide de particules solides permet de déceler un mouvement du fluide quand on applique le champ électrique. En augmentant l'intensité du champ, les fils nématiques deviennent plus rectilignes, plus nombreux et leur vitesse de déplacement augmente.

Pour une même valeur du champ électrique, le nombre des fils nématiques diminue quand la fréquence du champ augmente ; ils deviennent plus incurvés et leur vitesse de déplacement diminue. Dans un champ électrique de 750 volts/cm., pour une fréquence de 4 000 pér./sec., les fils nématiques ont presque disparu. Il n'en apparaît plus du tout dans un champ de 2000 volts/cm. pour des fréquences de 50 à 1 000 kilocycles. En redressant ces champs de haute

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fréquence, on observe un très grand nombre de fils nématiques très fins, bien rectilignes, se déplaçant dans la direction du champ avec une grande vitesse. Le liquide est d’ailleurs en mouvement très violent.

Les clichés n°5 9 à 12 représentent l’aspect des fils nématiques pour différentes intensités et fréquences du champ électrique. Ils sont obtenus, avec un appareil microphotographique, après un quart d'heure d'application du champ électrique, sans choisir l'instant de la prise de la photographie.

Le cliché n° 9 montre l’aspect du liquide soumis à un champ électrique alternatif de 200 volts/cm. et 50 pér./sec. Cet aspect est sensiblement le même que celui du liquide soumis à un champ électrique continu de même valeur. On peut compter sur le cliché le nombre de fils nématiques ; on en voit plusieurs qui sont très incurvés. Le cliché n° 10 représente le liquide dans un champ électrique alternatif de même période que dans le cliché précédent mais dont l’intensité est de 750 volts/cm. : les fils nématiques sont beaucoup plus nombreux; ils sont en général plus rectilignes: on en voit très peu de bien incurvés. Le cliché n° «1 offre l’aspect du liquide dans un champ électrique de même intensité que dans le cliché précédent mais dont la fréquence est de 3 100 pér./sec. : les fils nématiques sont beaucoup moins nombreux et presque tous sont très incurvés. Enfin, le cliché n° 12 représente le liquide soumis à un champ électrique de 720 volts/cm. et 3 800 pér./sec. : les fils nématiques tout en restant très incurvés, tendent à disparaître.

- Ilest difficile d'admettre, à l’origine des fils nématiques, une action directe d'orientation du champ électrique sur les molécules, car la fréquence critique d'orientation des molécules dans un liquide soumis à un champ électrique alternatif est de l’ordre de quelques 100 000 périodes par seconde, c'est-à-dire, d’un tout autre ordre de grandeur que celui trouvé ici. L'interprétation des fils nématiques dans le champ électrique me semble être la suivante : quand on applique,

Thèse NacGiar Planche II

No 7, tourbillons cellulaires; n° 8, goutte suspendue ;

nos Q à 12, fils nématiques dans le champ électrique.

au liquide nématique, un champ électrique, les ions qui se déplacent dans le champ provoquent un mouvement de tout le liquide; ce mouvement d'ensemble oriente le liquide mais l’orientation en un point varie au cours du temps si le mouvement n'est pas permanent ; les tourbillons localisés qui se forment au voisinage des parois sont entraînés dans le mouvement général ; d’après mes observations sur les fils nématiques dans les mouvements de convection thermiques, il semble bien que les fils nématiques que l’on aperçoit dans le champ électrique, ne sont autre chose que ces tourbillons localisés. L’allure du phénomène, en fonction de l’intensité et de la fréquence du champ électrique, s'explique alors par le mouvement des ions dont l’action mécanique croît avec Le champ et diminue quand la fréquence augmente.

Voici une expérience qui permet de suivre un fil nématique créé par un mouvement de convection thermique et déformé puis entraîné dans un champ électrique. Le liquide nématique est contenu dans une cuve de 15 mm. de haut,

Fig. 7. — Déformation des fils nématiques dans le champ électrique.

(a) en l’absence du champ ; (b) après application du champ; (c) dans le champ électrique.

dont deux faces verticales parallèles sont en verre et distantes de 2 mm. et les deux autres faces verticales en laiton et distantes de 1: cm. La cuve est placée dans un four électrique qui permet l’observation suivant la direction horizontale perpendiculaire aux faces de verre. La température du liquide n’est

pas uniforme : on observe de larges mouvements de convec-

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tion thermiques et quelques fils qui épousent la forme de ces mouvements. Dans le champ d'observation, qui ne découpe qu’une faible portion sur la longueur des fils nématiques, ceux-ci sont verticaux et se dirigent vers la surface libre du liquide. Quand on applique le champ électrique, qui est horizontal et perpendiculaire à la direction d’observation, les fils se mettent d’abord en accordéon puis se coupent et prennent la direction perpendiculaire aux électrodes. La figure 7 indique les trois aspects observés ainsi que les trajectoires des mouvements de convection du liquide. Si les fils nématiques avaient eu dans le champ électrique une nature différente de celle qu'ils ont dans les mouvements du liquide, on aurait vu par application du champ électrique, à la fois des fils verticaux et des fils horizontaux. Il n’en est rien : le fil d’abord vertical, se déforme pour devenir horizontal. À Il résulte de mes observations que la création des fils nématiques, dans le champ électrique, n'est qu'un phénomène secondaire. Leur apparition montre seulement que dans le liquide en mouvement il y a des tourbillons qui se propagent. Il n’y a donc pas lieu de tirer une conclusion sur l’orientation du liquide nématique, dans le champ électrique, de l’aspect et de la direction de ces fils nématiques. Il est probable que dans les expériences de W. Kast, le liquide était également en mouvement tourbillonnaire au moins aux fréquences très basses, puisque, placé dans les mêmes conditions, j'ai pu observer ces mouvements accompagnés de nombreux fils nématiques. Ce phénomène secondaire ne fait que brouiller une orientation générale certaine comme le montrent les diagrammes aux rayons X aux basses fréquences. Dans l'observation optique d’une couche épaisse de liquide nématique soumis à un mouvement tourbilloniaire non permanent, l'orientation générale existant à chaque instant ne pourra pas être décelée. Par contre, cette orientation pourra se retrouver dans les clichés aux rayons X,

car ceux-c1 sont le résultat d’un effet de moyenne, Ce serait là l'explication de l'orientation trouvée par W. Kast dans les champs électriques de très basse fréquence : dans la région centrale de la cuve examinée par les rayons X, les lignes de courant ont la direction parallèle à celle du champ électrique et c’est cette direction qui va dominer dans les diagrammes.

Il est possible que l'orientation, dans le champ électrique aux basses fréquences, soit due, de même que la mise en mouvement du liquide, à l’action directe des ions qui viennent frapper les particules et les orienter dans la direction de leur vitesse. C’est pourquoi il est possible d'observer encore, aux rayons X, une orientation parallèle aux lignes de courant alors que le liquide n’est plus en mouvement. Les observations optiques sur les couches minces, que je vais décrire maintenant, s’interprètent convenablement dans cette hypothèse.

Couches minces anisotropes. — Le p-azoxyanisol est placé entre deux disques de verre, dans un canal limité par les bords parallèles de deux bandes de papier d’étain formant électrodes ; l’ensemble est maintenu sur une platine chauffante par trois ressorts disposés à 1200. Les expériences ont porté sur des distances entre électrodes depuis o mm. 3 jusqu'à : mm. 6 et des épaisseurs de liquide depuis o mm. 05 (électrodes en papier d’étain) jusqu’à o mm. 2 (électrodes en fil de platine). L’instrument d’observation est toujours le microscope polarisant. Le liquide est éclairé par transmission de la lumière monochromatique émanant d’une lampe à vapeur de mercure dont on ne laisse passer que la raie verte.

Voici, à titre d'exemple, les caractéristiques d’une expérience : distance entre électrodes o mm: 46; épaisseur du papier d’étain o mm. 05. Le liquide se présente, à l'état nématique, sous la structure homéotrope à axes optiques per-

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pendiculaires aux parois de verre. Entre nicols croisés, le champ reste noir quand la préparation tourne dans son plan. Pour une tension continue de 10 volts, ce qui correspond à un champ électrique de 218 volts/cm., il y a apparition de lumière. On obtient à nouveau l'extinction quand l’un des nicols croisés a sa direction privilégiée parallèle à celle du champ électrique. Pour toute autre position des nicols, maintenus croisés, on observe en lumière monochromatique, au voisinage de l’électrode négative, des franges noires, rectilignes, parallèles à cette électrode. Le fourmillement des axes optiques qui s’observe dans la phase homéotrope, en l’absence de champ électrique, devient plus intense au voisinage de l’électrode négative quand on applique le champ..Vers 300 volts/cm., le nombre de franges au voisinage de l’électrode négative augmente et de petites houppes brillantes apparaissent le long de l’électrode positive. Franges et houppes disparaissent dans l'extinction du champ d'observation, quand l'un des nicols croisés a la direction du champ électrique. Si l'intensité du champ électrique est encore plus élevée, des franges apparaissent également le long de l’électrode positive; mais alors qu’elles sont rectilignes et immobiles sur l’électrode négative, on les voit incurvées et mobiles sur l’électrode positive. Quand le champ électrique atteint un millier de volts/cm., les franges sur l’électrode négative deviennent à leur tour sinueuses; un tentacule s’élance vers l'électrode positive et le liquide devient le siège de mouvements tourbillonnaires. En supprimant le champ électrique, la préparation présente pendant quelques secondes, des noyaux à quatre branches et autour de chaque noyau, un système d’anneaux d'interférence. Puis le champ d'observation redevient noir, la structure homéotrope primitive se rétablissant. Si la structure primitive n'est pas homéotrope, le phénomène change d’allure : les champs électriques de faible intensité semblent sans action sur le liquide en structure à plages ou à noyaux;

seuls, sont observables, les mouvements tourbillonnaires dans les champs électriques élevés. Comme dans le phénomène des tourbillons cellulaires, le liquide en mouvements tourbillonnaires entre les deux électrodes, se segmente en cellules d'autant plus petites que la distance entre les électrodes est plus petite. Après suppression du champ électrique, chaque cellule offre l’aspect d’un noyau à quatre branches.

Ces observations sont, en plusieurs points, analogues à celles que décrivent V. Fréedericksz et V. Zolina dans l’article déjà cité (11). On trouvera dans cet article quelques clichés sur ce phénomène.

Les couches minces de liquide nématique soumises à un champ électrique présentent une orientation qui précède le mouvement du liquide et qui n’apparaît que si la structure est homéotrope. D'autre part, l'orientation généralé du liquide pendant le mouvement n’est décelable optiquement que lorsqu'on supprime le champ électrique, c’est-à-dire, lorsqu'on freine ces mouvements. Pour compléter l'étude optique, il faudrait soumettre les couches minces anisotropes à des champs faibles de haute fréquence afin de retrouver l'orientation perpendiculaire au champ que W. Kast a

observée.