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Une suspension colloïdale de nanofeuillets inorganiques présente différentes phases cristal-liquides


Les suspensions aqueuses de feuillets nanométriques, comme les particules d’argiles ou d’oxyde de graphène, sont très utilisées dans l’industrie, dans des domaines allant de la cosmétique aux travaux publics et à la récupération assistée du pétrole. A priori, de telles suspensions pourraient s’organiser spontanément en phases cristal-liquides de plusieurs types. En principe, dans la phase « nématique » (Figure 1A), les feuillets s’orientent tous dans la même direction mais leurs positions dans le solvant restent aléatoires. Dans la phase « lamellaire » (Figure 1B), les feuillets s’orientent aussi dans la même direction et, en plus, s’assemblent en couches équidistantes. D’habitude, les phases lamellaire et nématique diffèrent non seulement par leurs structures mais aussi par leurs propriétés visco-élastiques, un aspect très important pour les processus industriels. De plus, la phase lamellaire permet le confinement nanométrique des liquides, une propriété mise à profit par les organismes vivants, dans les cellules notamment. Cependant, les phases lamellaires sont habituellement constituées par l’auto-assemblage de petites molécules organiques. Dans le cas des nanofeuillets, l’existence même d’une telle phase lamellaire était encore débattue. En effet, lorsque les feuillets sont d’assez grand diamètre, il devient très difficile de distinguer expérimentalement la phase nématique de la phase lamellaire.

Des chercheurs du CEA (Grenoble) et du LPS (Orsay) viennent d’utiliser les nouvelles capacités des lignes de lumière synchrotron de SOLEIL (Gif-sur-Yvette) et de l’ESRF (Grenoble) pour démontrer l’existence des deux phases dans une suspension de nanofeuillets et pour en comparer les structures.1 Le système considéré était une suspension aqueuse de feuillets synthétiques de formule chimique H3Sb3P2O14, un matériau d’intérêt pour l’extraction solide-liquide des terres rares. Le cliché de diffusion des rayons X de la phase nématique est typique de celle-ci car il ne présente que des pics diffus (Figure 1C). En revanche, celui de la phase lamellaire présente des pics fins caractéristiques d’un ordre des feuillets en couches (Figure 1D). La phase nématique apparait à une concentration en nanofeuillets un peu plus faible que pour la phase lamellaire. Dans cette dernière, au moins un millier de nanofeuillets s’assemblent spontanément pour former chaque couche. Ces résultats montrent qu’il convient d’approfondir les études théoriques et les simulations numériques de tels systèmes car elles ne prédisent que très rarement l’existence de la phase cristal-liquide lamellaire.

Figure 1. En haut : Schémas de l’organisation de nanofeuillets en phase nématique (A) et en phase lamellaire (B). Dans celle-ci, les nanofeuillets appartenant à une même couche sont représentés dans la même teinte de gris et d est la période lamellaire. En bas : Clichés de diffusion des rayons X en phase nématique (C) et en phase lamellaire (D). Les flèches blanches pointent respectivement vers l’anneau diffus nématique et les réflexions lamellaires et l’encart en (D) montre un agrandissement de la réflexion (001).

Référence

Isotropic, nematic, and lamellar phases in colloidal suspensions of nanosheets
Patrick Davidson, Christophe Penisson, Doru Constantin, Jean-Christophe P. Gabriel
PNAS, 115 (26) 6662-6667, 2018
doi:10.1073/pnas.1802692115

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Patrick Davidson