J. Phys. France 48, 1225-1234 (1987)
DOI: 10.1051/jphys:019870048070122500

Liquid expanded-liquid condensed phase transition in Langmuir films of discotic molecules

F. Rondelez¹, J.F. Baret² et A.G. Bois<sup>2

1</sup>  Laboratoire de Physique de la Matière condensée, Collège de France, 11 place Berthelot, 75231 Paris Cedex 05, France
²  Département de Physique des Liquides, Université de Provence, 13331 Marseille Cedex 3, France

Abstract
We have measured the surface pressure isotherms of Langmuir monolayers of benzene-hexa-n-alkanoates (BH-n) spread at an air-water interface. These disc-like molecules are composed of six aliphatic chains attached to the central benzene nucleus by six ester bonds. The hydrophilic ester groups act as pinning points and hold the benzene nucleus flat on the water surface. For the lower homologs BH-5 to BH-7, we observe that the so-called liquid expanded phase obtained at high areas per molecule transforms into the liquid condensed phase upon lateral compression. The transition is approximately first-order, with a plateau region of finite slope and a single discontinuity in the monolayer compressibility. The associated heat of transition, as calculated from the Clapeyron equation, decreases linearly with temperature and extrapolates to zero at the critical temperature Tcrit. Above Tcrit, the transition disappears and the liquid expanded phase is observed at all areas per molecule. Contrary to the phospholipid and single chain fatty acid cases, T crit is found to decrease when the chain length increases. We interpret the phase change as an order-disorder transition of the aliphatic chains from a gauche to an all-trans conformation. Based on the areas per molecule occupied in each monolayer state, we can also infer that the chains get lifted up from an orientation parallel to an orientation vertical, relative to the interface.

Résumé
Nous avons mesuré les isothermes de pression superficielle pour des monocouches de benzènehexa-n-alkanoates (BH-n) étalées à l'interface eau-air. Ces molécules en forme de disque se composent de six chaînes aliphatiques entourant un noyau benzénique auquel elles se trouvent attachées par des groupes esters. Ces groupes hydrophiles ancrent la molécule à l'interface et maintiennent le cycle aromatique à plat sur la surface de l'eau. Avec les homologues les plus bas, BH-5 à BH-7, nous avons observé une transition entre une phase liquide expansé et une phase liquide condensé en fonction du taux de compression latérale de la monocouche. La transition est probablement du 1er ordre, avec une zone plateau bien définie et une seule discontinuité dans la compressibilité. La chaleur de transition associée, calculée à partir de l'équation de Clapeyron, décroît linéairement en fonction de la température et tombe à zéro à la température critique Tcrit. Au-delà de Tcrit, la transition disparaît et l'on n'observe plus que la phase liquide expansé. Contrairement au cas des phospholipides et des acides à chaîne grasse, Tcrit est une fonction décroissante de la longueur des chaînes hydrocarbonées. Nous avons interprété la transition de phase comme une transition ordre-désordre des chaînes entre une conformation gauche et une conformation toute trans. A partir des données d'aire moyenne par molécule dans les phases liquide expansé et liquide condensé, on peut aussi admettre que les chaînes passent d'une orientation parallèle au plan de l'interface à une orientation verticale.

PACS
6470J - Liquid-liquid transitions.
6803 - Gas-liquid and vacuum-liquid interfaces.
6815 - Liquid thin films.

Key words
compressibility of liquids -- heat of transformation -- Langmuir Blodgett films -- liquid films -- liquid liquid transformations -- monolayers -- organic compounds