J. Phys. France 37, 769-780 (1976)
DOI: 10.1051/jphys:01976003706076900

Ultrasonic investigation of nematic liquid crystals in the isotropic and nematic phases

S. Nagai, P. Martinoty et S. Candau

Laboratoire d'Acoustique Moléculaire, Université Louis-Pasteur, 4, rue Blaise-Pascal, 67070 Strasbourg Cedex, France

Abstract
We report measurements of the frequency dispersion of ultrasonic attenuation for a nematic liquid crystal, the n-pentyl cyanobiphenyl in the vicinity of the nematic-isotropic transition. In the isotropic phase, the experimental results are well described by the theory recently proposed by Imura and Okano. The frequency ωmax at which the maximum of attenuation per wave length αλ occurs, as well as the peak value (α λ) max, diverge at the transition with the critical exponents predicted by the theory. We have extended the Imura-Okano theory to the nematic phase on the basis of a coupling between sinusoidal temperature variation induced by sound wave and the elastic Frank constants. This model accounts semi-quantitatively for the experimental results. We have also investigated the dependence of the low frequency attenuation with respect to the angle between the director and the acoustical wave-vector for a nematic liquid crystal (Merck V) which exhibits a broad mesomorphic range. Far below the transition temperature the experimental data are well described by the theory of Forster et al., provided that the frequencies are far below the intramolecular relaxational frequency.

Résumé
Resumé. - Nous avons mesuré la variation en fonction de la fréquence de l'atténuation ultrasonore d'un cristal liquide nématique, le n-pentyl cyanobiphényle, au voisinage de la transition nématique-isotrope. Les résultats obtenus dans la phase isotrope sont en bon accord avec la théorie récemment proposée par Imura et Okano. En particulier, la fréquence ω max pour laquelle l'absorption par longueur d'onde αλ est maximum ainsi que la valeur (αλ )max de ce maximum divergent à la transition avec des exposants critiques voisins de ceux prévus par la théorie. Nous avons étendu la théorie d'lmura et Okano à la phase nématique en nous fondant sur l'hypothèse d'un couplage entre la variation thermique produite par l'onde ultrasonore et les constantes de Frank. Ce modèle permet de rendre compte semi-quantitativement des résultats expérimentaux. Nous avons par ailleurs étudié la variation de l'atténuation ultrasonore basse fréquence en fonction de l'angle entre le directeur et le vecteur d'onde acoustique, pour un cristal liquide nématique (Merck V) présentant une plage étendue de nématicité. Les résultats sont bien décrits par la théorie de Forster et al. dans la mesure où les temperatures sont très inférieures à la temperature de transition et les fréquences beaucoup plus basses que la fréquence de relaxation intramoléculaire.

PACS
6130 - Liquid crystals.
6260 - Acoustical properties of liquids.
6280 - Ultrasonic relaxation.

Key words
liquid crystal phase transformations -- organic compounds -- ultrasonic absorption -- ultrasonic dispersion