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Influence des anisotropies de forme et d’interactions sur le diagramme de phases et la dynamique des suspensions de plaquettes chargées


Les suspensions colloïdales de nanoparticules plaquettaires, comme les argiles, les cristallites minérales en forme de disque et les feuillets exfoliés, se trouvent fréquemment dans la nature et peuvent toutes être considérées comme des suspensions de plaquettes chargées. Bien que la géométrie de ces colloïdes paraisse simple, leur comportement de phases est resté jusqu’ici mystérieux car il varie fortement pour des systèmes apparemment assez proches. En effet, certaines suspensions d’argiles forment des gels à basse concentration alors que d’autres présentent une transition vers une phase cristal-liquide nématique à l’équilibre thermodynamique.

Sans interactions électrostatiques, la physique est assez claire : les suspensions de plaquettes forment une phase nématique du fait de la compétition entre les entropies d’orientation et de volume exclu, comme prédit par L.Onsager. La question est donc de comprendre comment les interactions électrostatiques influencent la transition vers la phase nématique et de classifier les nouvelles phases qu’elles pourraient engendrer.

Une équipe du Laboratoire de Physique Théorique et Modèles Statistiques (LPTMS Orsay) s’est jointe à des collègues du Laboratoire de Physique Théorique (LPT Orsay), du Laboratoire de Physique des Solides (LPS Orsay) et du Laboratoire PECSA (Paris VI) pour évaluer les rôles respectifs des anisotropies de forme des particules et des interactions électrostatiques. Un potentiel effectif de paires, dépendant de l’orientation relative et dérivé des premiers principes, a permis d’explorer le diagramme de phases à l’aide de simulations Monte-Carlo.


 

La dépendance angulaire de ce potentiel effectif a une forme inhabituelle qui induit une dissymétrie entre les configurations coplanaire et empilée de disques parallèles (voir partie gauche de la figure).
L’anisotropie intrinsèque originale de ce potentiel électrostatique conduit à une grande variété de phases (voir la partie droite de la figure), ce qui permet non seulement de rationaliser les caractéristiques génériques des diagrammes de phases compliqués des plaquettes colloïdales chargées, mais aussi de prédire l’existence de nouvelles structures.

De plus, l’étude de la dynamique en fonction de la densité démontre des phénomènes de ralentissement dans les états dépourvus d’ordre orientationnel, ce qui suggère l’apparition d’états gelés dans ces systèmes de particules très chargées. Ainsi, cette étude constitue une étape dans la compréhension des propriétés à l’équilibre des suspensions de plaquettes colloïdales chargées et permet également d’identifier, dans l’espace des paramètres physico-chimiques (densité, force ionique), où peuvent se situer les états « hors-équilibre ».

Ce travail a été financé par le Triangle de la Physique et l’IEF Marie-Curie.

Contacts :
Patrick Davidson
Sara Jabbari-Farouji

Référence :
On phase behavior and dynamical signatures of charged colloidal platelets
Sara Jabbari-Farouji, Jean-Jacques Weis, Patrick Davidson, Pierre Levitz & Emmanuel Trizac
Scientific Reports 3, 3559 (2013).