Theory of polymer gels with liquid crystal solvents

Abstract
We consider networks made of flexible chains (having N monomers between crosslinks) swollen in a nematogenic solvent (a solvent which may become nematic below a certain temperature Tc). 1) Above T c a uniaxial stress t, applied to the network, induces a nematic order Si inside the solvent. This leads to a large increase Δ n of the orientational birefringence. The ratio Δn/ t is independent of N, in agreement with stress-optical measurements performed by Gebhard and Rehage [1]. Δn/t is predicted to increase as T approaches Tco. 2) Below T c, we predict that the gel collapses into a dense state for all values of N. In this state, the volume fraction φ of monomers is very large (φ ≳ 0.1) and is independent of N. Inside the collapsed gel, the N-I transition temperature is strongly reduced : the nematic phase should often disappear completely. On the other hand, a swollen gel with a nematic solvent could be maintained : a) by suddenly cooling a dilute network (N large) ; b) is the polymer chains themselves are also nematogenic.

Résumé
On étudie des filets de chaînes flexibles (ayant N monomères entre points d'attache) gonflés dans un solvant nématogène (qui peut devenir nématique au-dessous d'une température Tc). 1) Au-dessus de T c une contrainte unidirectionnelle t appliquée au gel induit un ordre nématique à l'intérieur du solvant. Ceci conduit à une large augmentation An de la biréfringence. Le rapport Δn/t est indépendant de N, en accord avec les mesures mécano-optiques de Gebhard et Rehage [1]. On prévoit une forte augmentation de Δn/t au voisinage de Tco. 2) Au-dessous de T c, on prévoit que le gel collapse quelle que soit la valeur de N : la fraction φ de monomères est très grande (φ ≳ 0,1) et indépendante de N. A l'intérieur du gel collapsé, la température de la transition N-I est fortement réduite : l'état nématique disparaît souvent complètement. Cependant, un ordre nématique peut être maintenu dans un gel gonflé : a) par un refroidissement rapide d'un gel dilué (N grand); b) si les chaînes sont elles-mêmes nématogènes.