Plastic behavior and polymorphism of smectic liquid crystals

Laboratoire de Physique des Solides Université de Paris-Sud Bât. 510-91405 Orsay, France.

Abstract

Smectic systems are characterized by a lamellar ordering of more or less liquid layers. Mechanically, one expects the layers to present an elastic reaction to normal compression and a viscous reaction to a parallel shear. Rheological experiments are described in various smectic phases, which give the stress/strain relationship for small amplitude oscillations, in various geometries. Non-linear effects associated with texture instabilities are mechanically visible, in the high frequency elastic regime. In smectic A, for layer compression at low frequency, a plastic relaxation probably due to the easy climb of edge dislocation, prevents the observation of the intrisic viscoelastic relaxation associated with permeation. In smectic B, for shear parallel to the layers, above a low frequency Newtonian fluid-like behavior, one observes an elastic regime with a very low C₄₄ ~ 10⁶ cgs. This explains why the B phase appears practically as a lamellar phase, while presenting for X rays a 3D positional ordering. No data up to now can support recent predictions on intrinsic anomalous elastic or viscous behavior of smectic systems, related to large fluctuation of the one dimensional layer ordering.

Résumé

Les systèmes smectiques sont caractérisés par un empilement lamellaire de couches plus ou moins liquides. Du point de vue mécanique, on s’attend à ce que les couches présentent une réaction élastique à une compression normale et un comportement visqueux lorsqu’elles sont soumises à une contrainte parallèle. Des études rhéologiques sont décrites pour diverses phases smectiques. Elles conduisent à une relation contrainte/déformation pour des oscillations de faible amplitude et dans diverses géométries. Des effets non linéaires associés aux instabilités de texture sont mécaniquement visibles dans le régime élastique des hautes fréquences. Dans les smectiques A, pour une compression de couche à basse fréquence, une relaxation plastique sans doute due à la montée facile de dislocation coin, empêche l’observation d’une relaxation viscoélastique intrinsèque associée à la perméation. Dans les smectiques B, pour une contrainte parallèle aux couches, au-dessus d’un comportement basse fréquence de type fluide Newtonien, on observe un régime élastique avec une valeur très faible de C₄₄ (~ 10⁶ cgs). Ceci explique pourquoi la phase B apparaît pratiquement comme une phase lamellaire bien que présentant un ordre tridimensionnel aux R.X. Jusqu’à présent aucune donnée ne vient étayer des prédictions récentes sur le comportement intrinsèque élastique ou visqueux anormal des systèmes smectiques en relation avec les fluctuations importantes de l’ordre unidimensionnel des couches.