Rheophysics of Lamellar Phases
Rhéophysiques de phases lamellaires
CNRS
We have developed several techniques to study the effect of shear on complex fluids. These techniques are based on shear cells specially adapted to scattering techniques or transport properties. A brief description of the cells will be given together with the results that can be obtained using these techniques. Exemples on lyotropic systems will be detailed. The effect of shear on lyotropic lamellar phases is studied by light scattering, neutron scattering and microscopic observations. We found three different states of orientation separated with out-of-equilibrium transitions. In the state at very low shear rate, the lamellar phase is, in average, oriented with the layers in the shear plane and a few dislocations remains in the direction of the flow. In the intermediate state, the layers organize themselves into monodisperse multilayer vesicles (MLV) whose size is controlled by the shear rate. The last state corresponds to the same orientation than the first one but with no dislocations in the flow direction. The second state of orientation : leading to the MLV structure, is more precisely studied. It is shown that the size of the MLV is fixed by a balance between the viscous and elastic stresses and varies as the inverse square root of the shear rate. A possible mechanism for the formation of this structure is proposed. We show that this structure can be swollen in a solvent leading to a monodisperse emulsion of a lamellar structure in an isotropic liquid. Linear and nonlinear rheological properties are measured and discussed. It is shown that the viscosity is sensitive to the structure and varies of several order of magnitude depending in which phase of orientation the system is. Both shear thickening and shear thinning are described and explanations in terms or orientation transitions are given. The discovery of the oriented to MLV instability is the basis a very efficient process leading to well controlled microcapsules made of surfactant. Many applications of MLV produced by this technique are described including biological ones. In particular we will present results on enzymes and DNA encapsulation.
Résumé
Nous avons développé plusieurs techniques pour étudier l'effet du cisaillement sur des fluides complexes. Ces techniques sont basées sur des cellules de cisaillement spécialement adaptées aux techniques de dispersion ou aux propriétés de transport. Une courte description des cellules sera donnée en même temps que les résultats qui ont pu être obtenus en utilisant ces techniques. Des exemples sur les systèmes lyotropes seront décrits en détail. L'effet du cisaillement sur des phases lamellaires lyotropes est étudié par diffusion de la lumière, diffusion de neutrons et observation microscopique. Nous avons constaté trois états différents d'orientation séparés par des transitions hors d'équilibre. Dans l'état à très faible gradient de cisaillement, la phase lamellaire est, en moyenne, orientée avec les couches dans le plan de cisaillement et quelques dislocations restent dans le sens de l'écoulement. Dans l'état intermédiaire, les couches s'organisent elles-mêmes en vésicules multicouches monodispersées (MLV) dont la taille est contrôlée par le gradient de cisaillement. Le dernier état correspond à la même orientation que la première, mais avec absence de dislocation dans le sens de l'écoulement. Le deuxième état d'orientation conduisant à la structure MLV est plus précisément étudié. Il est montré que la taille des MLV est déterminée par un équilibre entre les efforts visqueux et élastiques et varie en fonction de l'inverse de la racine carrée du gradient de cisaillement. Un mécanisme possible pour la formation de cette structure est proposée. Nous montrons que cette structure peut être gonflée dans un solvant conduisant à une émulsion monodisperse d'une structure lamellaire dans un liquide isotope. Les propriétés rhéologiques linéaires et non linéaires sont mesurées et discutées. On montre que la viscosité est sensible à la structure et varie de plusieurs ordres de grandeur en fonction de la phase d'orientation dans laquelle le système se trouve. Les deux comportements rhéofluidifiant ou rhéoépaississant sont décrits et des explications en termes de transitions d'orientation sont données. La découverte de l'instabilité - orientée vers MLV - est la base d'un processus très efficace conduisant à des microcapsules bien contrôlées constituées de tensio-actifs. De nombreuses applications de MLV produites par cette technique sont décrites, y compris des applications biologiques. En particulier, nous présenterons des résultats sur l'encapsulation d'enzymes et d'ADN.
© IFP, 1997