Institut des
NanoSciences de Paris
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Soutenance de thèse d’Amine Missaoui - Lundi 22 mars 2021 à 14h

Amine Missaoui, doctorant dans l’équipe Physico-chimie et dynamique des surfaces, soutient sa thèse le lundi 22 mars 2021 à 14h en visioconférence.

Dynamics of Topological Defects in Freely Suspended Smectic Liquid Crystal Films and Bubbles

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Point defects with topological charges S = +1 and S = −1 on the way to annihilation. Observed in freely suspended smectic C film by means of a polarizing microscope with crossed polarizers and a diagonal λ phase plate.

Résumé

Les défauts topologiques ont une influence significative sur les propriétés macroscopiques des matériaux et dans ce cadre les cristaux liquides (CL) sont un système modèle très utile car il est relativement facile de créer et étudier des défauts topologiques bien maîtrisés. Pour faciliter l’interprétation des observations quand on s’intéresse à la dynamique des défauts, il est particulièrement intéressant d’étudier la dynamique des défauts topologiques dans les films CL en suspension libre, en absence de substrat dans une géométrie quasiment 2D. Dans la première partie de la thèse, nous avons étudié les mécanismes d’interaction entre deux défauts à partir de leurs trajectoires. Nous avons étudié l’annihilation de paires de disinclinaisons de charges topologiques : S = ±1. L’asymétrie des vitesses de propagation prédite par la théorie est confirmée. L’importance des orientations des défauts, ainsi que le désalignement de la paire par rapport au champ lointain du directeur smectique C, est démontrée. Les trajectoires sont par conséquent en général courbes, en fonction des orientations mutuelles des défauts et de l’orientation de la paire par rapport au directeur lointain. La séparation des défauts jusqu’à l’annihilation doit être mesurée selon la trajectoire et la dépendance en racine carrée du temps est alors confirmée. Le couplage entre le champ directeur autour des défauts et le champ de vitesse induit un mouvement hydrodynamique, qui joue un rôle important dans le mouvement des défauts. Le flux est visualisé par la méthode du photo-blanchiment, où un colorant fluorescent est ajouté au cristal liquide et sert d’indicateur. Nous montrons que le mouvement du défaut +1 est accompagné d’un mouvement d’écoulement dans la même direction. Ceci contraste avec le défaut -1 autour duquel aucun écoulement n’est observé. L’étude de l’annihilation des paires de défauts topologiques fournit une base pour l’adaptation des modèles théoriques décrivant la dynamique des défauts complexes, où l’annihilation est le processus élémentaire à la base de tous ces modèles. Dans la deuxième partie de la thèse, nous avons étudié la dynamique des îlots smectiques formés dans des bulles smectiques C flottant librement. Les expériences sont réalisées lors d’une campagne de vols paraboliques dans des conditions de microgravité afin de pouvoir garder les bulles flottant librement dans le champ de vision des caméras. Nous avons caractérisé la dynamique des îlots et révélé la formation de patterns de flambage, des rides dynamiques : des rides en forme d’étoile et des rides en forme d’anneau avec une sélection de la longueur d’onde caractéristique des patterns. La formation de ces rides est associée à un stress brutal appliqué aux îlots. Nous démontrons que la tension de ligne des dislocations entourant les îlots joue un rôle important dans la formation des rides. En fonction de leur taille, les îlots peuvent par conséquent soit se développer normalement sans ride (grands îlots), soit former des rides (îlots intermédiaires), soit se développer hors du plan du film (petit îlots). Ces motifs de rides dynamiques sont analogues à ceux observés sur les feuilles d’or et de plastique. Ceci montre que, sous l’effet de déformations rapides et violentes, les matériaux cristal liquide smectique se comportent comme des matériaux élastiques et partagent des propriétés physiques proches de celles de feuilles d’or et de plastique.

Abstract

Topological defects have a significant influence on the macroscopic properties of materials. In this context liquid crystals (LC) are useful as model system because it is relatively easy to create and study well-controlled LC topological defects. For an easier interpretation of the observations of the defect dynamics, it is particularly interesting to study the dynamics of topological defects in freely suspended LC films without substrate and in 2D geometry. In the first part of the thesis, we retrieved the interaction mechanism between two defects from their trajectories. We studied the annihilation of disclination pairs of smectic C topological charges : S = ±1. The asymmetry of propagation velocities predicted by the theory is confirmed. The importance of the defect orientations, as well as of the misalignment of the pair with respect to the far-field of smectic C director is demonstrated. Trajectories are, in general, curved, depending on the mutual orientations of the defects and on the orientation of the pair respective to the far-field. The separation of the defects until annihilation must be measured along the trajectory path and the square root dependence with time is thus confirmed. The coupling between the director field around the defects and the velocity field induces a hydrodynamic motion, the so-called « backflow », which plays an important role in the defects motion. The flow is visualized using the photo-bleaching method, where a fluorescent dye is added to the liquid crystal and serves as indicator. We show that the motion of the +1 defect is accompanied by a flow movement in the same direction. This contrasts with the -1 defect around which no material flow has been observed. The study of the annihilation of topological defect pairs provides the basis for an adaption of the theoretical models describing the dynamics of complex defect patterns, where the annihilation is the elementary process at the basis of all these models. In the second part of the thesis, we investigated the dynamics of smectic islands formed in smectic C freely floating bubbles. The experiments are carried out in microgravity conditions during a parabolic flight campaign in order to keep the freely floating bubbles in the field of view of the cameras. We characterized the dynamics of islands and revealed the formation of patterns, dynamical wrinkles : star-shaped and ring-shaped wrinkles with a clear selection of wavelength. The formation of these wrinkles is associated with an abrupt stress applied to the islands. We demonstrate that the line tension of the dislocations surrounding the islands plays an important role in the formation of wrinkles. Depending on their size, the islands can grow normally (large islands), form wrinkles (medium islands), or bulge out of the film plane (small islands). These dynamical wrinkle patterns are similar to the ones observed in gold and plastique sheets. This shows that, under fast and violent deformation, smectic liquid crystal materials behave like elastic materials and share physical properties similar to those of gold and plastique sheets.

Jury

  • M. Ingo DIERKING (University of Manchester UK, rapporteur)
  • Mme Teresa LOPEZ-LEON (ESPCI France, rapportrice)
  • Mme Sabine BOTTIN-ROUSSEAU (Sorbonne Université France, examinatrice)
  • M. Philippe CLUZEAU (Université de Bordeaux France, examinateur)
  • M. Andreas MENZEL (OvGU Magdeburg Germany, examinateur)
  • M. Devaraj VAN DER MEER (University of Twente Netherlands, examinateur)
  • Mme Emmanuelle LACAZE (Sorbonne Université France, directrice de thèse)
  • M. Ralf STANNARIUS (OvGU Magdeburg Germany, Co-directeur de thèse)