Vers la production de 'patchy particles' à base de cristaux liquides

Towards the realization of liquid crystalline patchy particles

• Auteur / Autrice : Kunyun He
• Direction : Olivier Dauchot, Teresa López-León
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 23/03/2018
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Gulliver (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (1882-....)
• Jury : Président / Présidente : Anke Lindner
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yoko Ishii
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Etienne Brasselet, Emmanuelle Lacaze

Mots clés

Mots clés libres

Auto-Assemblage

Defauts topologiques

Particules anisotropiques

Microfluidique

Émulsions doubles

Double emulsions

Topological defects

Self-Assembly

Anisotropic colloids

Microfluidics

Résumé

L'un des objectifs majeurs de la recherche contemporaine en science des matériaux est la production d'architectures tridimensionnelles complexes grâce à l'auto-assemblage de briques élémentaires colloïdales. De ce point de vue, le développement de méthodes permettant la production de particules colloïdales capables d'interagir entre elles de façon complexe est donc crucial. Cette thèse décrit une nouvelle stratégie pour produire des particules anisotropes à l’aide de cristaux liquides. Il s’agit de doubles émulsions, où un cristal liquide nématique est confiné à l’intérieur d’une coque sphérique, et dont la géométrie impose la présence de défauts topologiques. Le nombre et la position des défauts déterminent la valence des particules ainsi que la directionalité des futures liaisons entre celles-ci. Dans cette étude, nous fabriquons de telles coques de cristaux liquides de façon contrôlée à la fois vis-à-vis de leur taille et des configurations de défauts. Nous décrivons les méthodes microfluidiques traditionnelles qui permettent de produire des coques de cristaux liquides, et nous en testons les limites de fonctionnement. Nous montrons que ces techniques ne permettent pas de réduire la taille du système à l’échelle colloïdale. Nous présentons un setup microfluidique amélioré, qui nous permet de produire des coques avec une grande distribution de taille et à haute fréquence. En combinant résultats expérimentaux et simulations numériques, nous étudions la possibilité d’induire des transitions entre différentes configurations de défauts, grâce à une modification continue de la géométrie de la coque. Enfin, nous nous intéressons à un cristal liquide chromonique doté d’une grande anisotropie élastique en phase nématique. Nous étudions la manière dont ce nématique exotique répond à l’influence du confinement et de la courbure, et nous explorons les nouvelles symétries qui en émergent.

One main goal of modern material science is to produce complex three-dimensional architectures from the self-assembly of pre-designed colloidal building blocks. Developing methods to produce colloidal particles capable to interact in complex ways is crucial in this perspective. This thesis describes a new strategy in which liquid crystals are used for producing anisotropic colloidal particles. These new particles are double emulsions where a nematic liquid crystal is confined to a spherical shell, the geometry of which imposes the presence of topological defects. The number and position of the defects set the valence of the particles as well as the directionality of the eventual bonds between them. Our study aims at fabricating such liquid crystal shells in a controlled way, both in terms of size and defect structure. We describe the standard microfluidic methods used to produce liquid crystal shells and test their operational limits. We show that the standard microfluidic techniques do not allow for scaling the system down to the colloidal scale. We then present a new microfluidic set-up which improves our capability of producing shells in a large range of sizes at high frequencies. Combining experiments and numerical simulations, we study the possibility of inducing transitions between different valence states through a continuous variation of the shell geometry. Finally, we study a lyotropic chromonic liquid crystal, which exhibits a large elastic anisotropy in the nematic phase. We study how this exotic nematic liquid crystal responds to confinement and curvature and investigate the new emerging symmetries.