Auto-organisation de cristaux liquides colloïdaux en milieux complexes

Liquid crystal self-organization of colloids in complex environments

• Auteur / Autrice : Marina Torres Lázaro
• Direction : Rik Wensink
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 30/06/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des solides (Orsay, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Patrick Davidson
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hong Xu, Enrique Velasco, Anja Kuhnhold
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Hong Xu, Enrique Velasco

Mots clés

Mots clés contrôlés

Monte-Carlo, Méthode de

Cristaux colloïdaux

Colloïdes

Cristaux liquides nématiques

Mots clés libres

Cristal liquide

Colloïde

Théorie d'Onsager

Hard Particle Monte Carlo

Liquid crystal

Colloid

Onsager theory

Hard Particle Monte Carlo

Résumé

Le travail présenté dans cette thèse se concentre sur une étude théorique de l'auto-organisation de cristaux liquides de bâtonnets ou de plaquettes colloïdales dans des milieux complexes. Les explorations sont faites à l'aide d'une théorie statistique basée sur la théorie d'Onsager et la théorie du champ moyen, combinées à des simulations numériques à grande échelle. Le premier cas que nous considérons est celui de disques colloïdaux immergés dans des bâtonnets réversiblement polymérisables où les deux composants sont capables de développer l'ordre nématique. Nous établissons les diagrammes de phase qui présentent un certain nombre de coexistences multiphasiques et discutons le phénomène de polymérisation réversible dans des environnements antinématiques. Le deuxième exemple concerne des bâtonnets et des plaquettes colloïdales immergés dans un cristal liquide thermotrope chiral. Il est démontré que ces cristaux liquides hybrides moléculaires-colloïdaux présentent un ordre biaxial amélioré, une séparation de phase liquide-liquide médiée par l'ancrage de surface et des organisations colloïdales-moléculaires hybrides bi-hélicoïdales exotiques à un contenu colloïdal significatif. Le dernier thème aborde l'auto-assemblage mésoscopique de bâtonnets colloïdaux chiraux mélangés à des polymères non absorbants. Selon les conditions, ces mélanges sont connus pour former des tactoïdes, des vaisseaux liquides en forme de membrane, ainsi que des rubans twistés. En utilisant la simulation par ordinateur semi-grand canonique de Monte Carlo, nous abordons la morphologie et la structure interne de ces gouttelettes LC et nous comparons nos résultats avec des résultats expérimentaux récents sur des bâtonnets de virus fd filamenteux.

The work presented in this thesis focuses on a theoretical study of liquid crystal (LC) self-organization of colloidal rods or platelets in complex environments. Explorations are made using statistical theory based on Onsager and mean-field theory combined with large-scale computer simulations. The first case we consider are colloidal discs immersed in reversibly polymerizing rods where both components are capable of developing nematic order. We map out the phase diagrams that feature a number of multi-phase coexistences and discuss the phenomenon of reversible polymerization in anti-nematic environments. The second example concerns colloid rods and platelets immersed in a chiral thermotropic liquid crystal. These so-called hybrid molecular-colloidal liquid crystals are demonstrated to exhibit enhanced biaxial order, surface-anchoring mediated liquid-liquid phase separation, and exotic bi-helical hybrid colloidal-molecular organizations at significant colloid content. The last topic addresses the mesoscopic self-assembly of chiral colloidal rods mixed with non-adsorbing polymers. Depending on the conditions, these mixtures are known to form tactoids, membrane-shaped liquid rafts, as well as twisted ribbons. Using semi-grand canonical Monte Carlo computer simulation, we address the morphology and internal structure of these LC droplets and compare our findings with recent experimental results on filamentous fd virus rods.