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Orientation par un champ magnétique d’un cristal liquide nématique et de colloïdes allongés (nano-bâtonnets de goethite) : vers l’obtention d’un véritable cristal liquide ferronématique - Olivier Sandre

Christelle Vatry, Ali Abou Hassan, Vincent Dupuis et Olivier Sandre LI2C UMR7612 CNRS / Université P & M Curie (Paris 6) / ESPCI

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L’idée de disperser des charges inorganiques dans une matrice cristal liquide organique thermotrope remonte au modèle de Brochard et De Gennes dans les années 70 [1], mais elle est toujours d’actualité parmi les expérimentateurs: le dopage de cristaux liquides organiques par des nanoparticules permettrait en effet d’améliorer leurs caractéristiques tant diélectriques [2] que magnétiques [3].

Grâce au dispositif utilisé d’ordinaire pour mesurer la biréfringence magnéto-induite des « ferrofluides » [4], nous observons la transition d’orientation dite « de Fredericksz » quand un cristal liquide tel que le 4-cyano-4’-pentylbiphenyl (5CB) est soumis à des orientations antagonistes (ancrage homéotrope sur la surface de la cuve versus orientation planaire induite en volume par le champ magnétique) [5,6]. Ce même dispositif permet de suivre par ailleurs une autre transition d’orientation mise en évidence par Bruno Lemaire et coll. [7] avec un système pouvant lui aussi présenter un ordre nématique (lyotrope) purement inorganique, la goethite alpha-FeOOH, synthétisée sous la forme de nano-bâtonnets [8].

Cette transition reposant sur la compétition entre un moment magnétique de surface parallèle aux bâtonnets et un moment induit perpendiculaire, nous avons mesuré ces deux composantes respectivement de surface et de volume par magnétométrie SQUID. L’étude des conditions de synthèse nous a permis de varier les longueurs de 25 nm (photo à gauche) à 500 nm (à droite), et celle du dopage par des ions paramagnétiques Co2+ ou Ni2+ de modifier les valeurs des moments magnétiques de surface et de l’anisotropie de susceptibilité antiferromagnétique, tandis qu’une expérience de microfluidique nous a permis de mettre en évidence les tous premiers germes des bâtonnets, encore sous la forme de ferrihydrite mal cristallisée.

Après avoir donné une vision cohérente de ces transitions d’orientation en champ, en accord aussi avec des mesures de diffusion anisotrope des neutrons, nous ferons le point sur la réussite ou non du dopage d’un cristal liquide thermotrope par des nanoparticules allongées afin d’abaisser les champs magnétiques nécessaires pour réorienter les domaines.

[1] Theory Of Magnetic Suspensions In Liquid Crystals
F. Brochard & P-G. De Gennes, Journal de Physique (France) 31 691-708 (1970)

[2] Ferroelectric Particles in Liquid Crystals: Recent Frontiers
Anatoliy Glushchenko, Chae Il Cheon, John West, Fenghua Li, Ebru Büyüktanir, Yuri Reznikov and Alexander Buchnev Molecular Crystals and Liquid Crystals, 453:227-237 (2006)

[3] Phase behavior of nanoparticles in a thermotropic liquid crystal
C. Da Cruz, O. Sandre, V. Cabuil, Journal of Physical Chemistry B (2005), 109(30), 14292-14299

[4] Static magneto-optical birefringence of size-sorted gamma-Fe2O3 nanoparticles
E. Hasmonay, E. Dubois, J.-C. Bacri, R. Perzynski, Yu.L. Raikher, V.I. Stepanov, Eur. Phys. J. B 5, 859 (1998)

[5] Study of magnetic Fredericksz transition in ferronematic M. Konerackf, V. Kellnerova, Kopcansky, T. Kuczynski, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 140-144 (1995) 1455- 1456

[6] Magnetic birefringence in a liquid crystal: An experiment for the advanced undergraduate laboratory, Thomas Moses, Brian Durall, and Gregory Frankowiak Am. J. Phys. 68 (3), March 2000

[7] Physical properties of aqueous suspensions of goethite (?-FeOOH) nanorods Part I: In the isotropic phase
B.J. Lemaire, P. Davidson, J. Ferré, J.P. Jamet, D. Petermann, P. Panine, I. Dozov, and J.-P. Jolivet Eur. Phys. J. E 13, 291–308 (2004)

[8] Synthesis of acicular alpha-FeOOH particles at a very high pH, S. Krehula, S. Popovic, S. Music, Materials Letters 54 (2002) 108–113