Why do most nematic liquid crystals align parallel to inorganic surfaces

ASULAB S.A., Passage Max-Meuron 6, CH — 2001 Neuchâtel, France.

Abstract

To a first approximation one may predict the orientation of the director of a thin film of nematic liquid crystal (L.C.) adjacent to a solid surface through the relative magnitude of the L.C. surface tension and solid surface energy. A deeper insight, taking into account the L.C. surface tension anisotropy leads to the conclusion that homeotropic orientation should be observed on high energy surfaces. Most experimental evidence indicates that L.C. orientation over inorganic surfaces is homogeneous. We will present the results of our measurements of inorganic solids surface tension which, in accordance with previously published results, show that inorganic surfaces, in contact with the atmosphere, have an average surface energy of about 40 mJm^-2. This result has, in most cases, been explained through the absorption of a water layer. In this note we retain this explanation, as a first approximation. From the criterion for displacement of a liquid 1 by a liquid 2 and known values of the surface energy of inorganic solids, water and liquid crystals, it is shown that water will not be displaced by L.C. molecules. Thin L.C. films lie over a water layer of surface energy 40 ± 5mJm^-2 and remain parallel to the solid surface.

Résumé

Une règle empirique, bien vérifiée par l'expérience, veut que les cristaux liquides s'alignent parallèlement à une surface lorsque sa tension superficielle est supérieure à celle du cristal liquide. En fait la molécule de cristal liquide (C.L.) est anisotrope et la valeur de la tension superficielle dépend de l'orientation moléculaire. Selon cette orientation on peut concevoir l'existence de trois valeurs de la tension superficielle des C.L. Si tel est le cas, la règle mentionnée ci-dessus prévoit que les cristaux liquides d'usage courants s'aligneront perpendiculairement aux surfaces d'énergie superficielle élevée comme celle des solides inorganiques. Cependant cette orientation n'est observée que sporadiquement et de façon peu reproductible. Nous rappelons dans cet article les résultats de mesures de tension superficielle sur différentes surfaces solides qui indiquent que cette valeur est de l'ordre de 40 10-3 Jm-2. C'est-à-dire que, pratiquement, les surfaces solides n'ont pas une énergie de surface élevée; dès lors l'orientation observée s'explique aisément.

La valeur expérimentale est parfois attribuée à l'adsorption d'une couche d'eau ; nous montrons que les cristaux liquides ne peuvent, effectivement, pas déplacer l'eau adsorbée en surface. L'existence de surface de haute énergie n'est que fugitive et les cristaux liquides reposent horizontalement sur une couche adsorbée, c'est pourquoi l'orientation verticale due à la surface activée ne peut être observée que transitoirement, comme nous l'avons observé et comme le rapportent des travaux antérieurs.