Propriétés structurales et magnétiques d'un cristal liquide minéral, les suspensions de gœthite (α-FeOOH)

par Bruno Lemaire

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Patrick Davidson.

Soutenue en 2002

à Paris 11, Orsay .


  • Résumé

    Notre travail a porté sur différents cristaux liquides minéraux, et principalement sur les suspensions aqueuses de goethite. Après les avoir caractérisées, nous avons démontré qu'elles forment une phase nématique, et décrit la transition isotrope-nématique grâce aux modèles de la littérature. La phase isotrope présente trois propriétés originales sous champ magnétique : un ordre paranématique très élevé, une composante dipolaire de l'ordre orientationnel non nulle et le changement d'orientation de la phase suivant la valeur du champ (parallèle à un champ statique faible, mais perpendiculaire à un champ fort). Nous avons déterminé le paramètre d'ordre nématique par des mesures de biréfringence ainsi que par diffusion des rayons X aux petits angles, et le paramètre d'ordre dipolaire par des mesures d'aimantation. Nous avons interprété et modélisé le changement d'orientation comme la compétition entre un moment magnétique longitudinal indépendant du champ (probablement dû à des spins non compensés en surface), et le moment magnétique induit par le champ (anisotropie magnétique négative). Le premier domine à champ faible, le second à champ fort. Sous ces hypothèses, l'orientation est toujours perpendiculaire sous un champ de fréquence élevée, ce que nous avons observé. Le modèle donne des résultats en accord avec les mesures. Puis nous avons étudié les propriétés de la phase nématique sous champ magnétique. Le seuil de Frederiks est très bas, et l'ordre nématique extrêmement élevé. Les particules basculent perpendiculairement au champ magnétique lorsqu'il croit, par une seconde transition de Frederiks, formant un domaine nématique biaxe. A champ encore plus élevé se forme un cristal colloi͏̈dal bidimensionnel de groupe d'espace c2mm. On observe la même phase en champ nul à forte concentration. Enfin, nous incluons nos publications, sur les suspensions de goethite, de plans covalents rigides de H(3)Sb(3)P(2)O(14), de polymères flexibles de NaNb(2)PS(10) et de plaquettes de laponite.


  • Résumé

    We carried experiments on different mineral liquid crystals and especially on suspensions of colloidal goethite particles. After characterizing the suspensions, we showed that they form a nematic phase. We described the isotropic nematic phase transition with the models of literature. Three properties of the isotropic phase under magnetic field are : a very high paranematic order, a non vanishing dipolar component of the orientation order and the change in orientation with the value of the field (parallel to a low field, perpendicular to a high one). We determined the nematic order parameter by birefringence and small angle X-ray scattering measurements, and the dipolar one by magnetization measurements. We interpreted the change in orientation as the competition between a longitudinal field-independent magnetic moment (probably uncompensated spins at the surface of the particles) and the induced magnetic moment (negative magnetic anisotropy). The former dominates at low fields and the latter at higher ones. In this frame, the orientation must remain perpendicular to a high-frequency field, which we observed experimentally. The model fitted the experimental data well. Then we studied the properties of the nematic phase under field. The Fredenks transition threshold is outstandingly low, while the nematic order is very high. The particles reorient perpendicular to a higher field, through a second Frederiks transition, forming a nematic biaxial domain. At even higher fields, the suspension forms a two-dimension colloidal crystal in the c2mm space group. The same phase occurs in zero field at high concentrations. Finally, we include our published articles, concerning suspensions of goethite, stiff covalent sheets of H(3)Sb(3)P(2)O(14), flexible polymers of NaNb(2)PS(10) and laponite disc-like moieties.

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Informations

  • Détails : 180 p.
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p.173-177.

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Université Paris-Sud (Orsay, Essonne). Service Commun de la Documentation. Section Sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : M/Wg ORSA(2002)120
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