Swollen lamellar phases between two solid walls : undulation forces and generation of defects

Abstract
Forces between curved mica surfaces across a brine swollen lamellar phase (CTAB/hexanol/Brine) have been measured. The bilayers oriented spontaneously parallel to the mica surfaces. The force-distance curves show regimes where brine is continuously expelled from between the lamellae, and regimes in which bilayers are ejected over a few seconds. We have investigated the effect on the forces of moving in the phase diagram at constant bulk repeat distance, as well as along the dilution line. We found that the force necessary to squeeze out bilayers becomes smaller as the system approaches the transition to the bicontinuous phase (Lα/L3), i.e. on increasing the hexanol content. Dynamic effects are observed and may be explained in terms of hydrodynamic coupling of the bilayers with the solvent. They may produce surprising behaviors : on decompressing the phase, lamellae are systematically ejected. The equilibrium state of the system is discussed. The data is consistent with the 1/d2 profile calculated by Helfrich for the undulation forces [1]. Least square fits of the data to 1/d2 gives bilayer curvature modulus values of the order of 5.5 ± 3 kB T.

Résumé
Nous avons mesuré les forces entre deux surfaces de mica immergées dans une phase lamellaire gonflée à l'eau (CTAB/hexanol/eau salée). Les bicouches s'orientent parallèlement aux surfaces de mica. Les courbes force-distance présentent des domaines où l'eau est continûment éjectée d'entre les lamelles, et des domaines où le système saute rapidement à une autre distance en éjectant des lamelles. Nous avons étudié l'effet sur les forces d'un déplacement dans le diagramme de phases à période spatiale constante et également le long de la ligne de dilution. Plus on se rapproche de la transition vers la phase bicontinue (Lα/L3), c'est-à-dire plus la concentration en hexanol est grande, plus la force nécessaire à l'éjection des lamelles devient faible. Certains effets dynamiques sont observés et peuvent s'expliquer par un couplage hydrodynamique entre les bicouches et le solvant. Ils peuvent produire des comportements surprenants : en décomprimant la phase lamellaire, des bicouches sont systématiquement éjectées. L'état d'équilibre du système est discuté. Les résultats sont en accord avec le profil en 1/d 2 calculé par Helfrich pour les forces d'ondulation. L'ajustement des courbes force-distance à une loi en 1/d2 nous donne une valeur de la rigidité de courbure des lamelles : kc = 5.5 ± 3 kB T.