J. Phys. France 40, 181-190 (1979)
DOI: 10.1051/jphys:01979004002018100

Molecular orientational order in the mesophases of TBBA : Results of a consistent analysis of neutron, NQR and NMR data

A.J. Dianoux et F. Volino

Institut Laue-Langevin, 156X, 38042 Grenoble Cedex, France

Abstract
Incoherent neutron quasi-elastic scattering (NQES), 14N nuclear quadrupole resonance (NQR) and deuterium nuclear magnetic resonance (DMR) data in the smectic VI, smectic H, smectic C, smectic A and nematic phases of terephtal-bis-butyl-aniline (TBBA) are analysed consistently in terms of simple rotational models allowing both orientational order around the long molecular axis and fluctuations of this axis. It is found that : (i) In the SmVI phase, the molecules rotate around their long axis in a two fold periodic potential. The corresponding bipolar order parameter varies from ˜ 1 to ˜ 0.8 near the VI-H transition. (ii) In the SmH phase, the rotation is almost uniform, but a small bipolar ordering still exists, which varies from ˜ 0.15 to ˜ 0.06 near the H-C transition. In addition, the long axes fluctuate about their average positions, the average amplitude of these fluctuations varies from ˜ 0 to ˜ 22° near the H-C transition. (iii) In the SmC phase, the bipolar ordering is very weak (≤ 0.005). As the temperature increases the long axes tend to be perpendicular to the layers. The polar fluctuations of the axis remain practically constant (˜ 22°), but the azimuthal fluctuations increase rapidly and become uniform at the C-A transition. Values of corresponding order parameters are given. (iv) In the SmA and nematic phases, the polar fluctuations increase and are as large as ˜ 42° at the nematic-isotropic transition. The values of the nematic order parameter are given. In addition, in all these phases, except, possibly in the VI phase, the three phenyl rings reorient around their para axis, and in the C, A and nematic phases, the molecules undergo trans-trans isomerization on a time scale of 10-6-10 -7 s. All these results seem to rule out definitely the Meyer-MacMillan [1] and Meyer [2] theories for the tilted phases of TBBA.

Résumé
Des résultats de diffusion incohérente quasi-élastique de neutrons (NQES), de résonance quadrupolaire nucléaire (NQR) de l'azote 14 et de résonance magnétique nucléaire du deutérium (DMR) sur les phases smectique VI, smectique H, smectique C, smectique A et nématique du téréphtal-bis-butyl-aniline (TBBA) sont analysés de façon consistante à l'aide de modèles rotationnels simples qui permettent à la fois un ordre orientationnel autour du grand axe moléculaire et des fluctuations de cet axe. On trouve que : (i) Dans la phase SmVI, les molécules tournent autour de leur grand axe dans un double potentiel périodique. Le paramètre d'ordre bipolaire correspondant varie de ˜ 1 à 0,8 près de la transition VI-H. (ii) Dans la phase H, la rotation est presque uniforme, mais un faible ordre orientationnel bipolaire existe encore, qui varie de ˜ 0,15 à ˜ 0,06 près de la transition H-C. De plus, les grands axes fluctuent autour de leur position d'équilibre. L'amplitude moyenne de ces fluctuations varie de ˜ 0 à ˜ 22° près de la transition H-C. (iii) Dans la phase C, l'ordre orientationnel bipolaire est très faible (≤ 0,005). Quand la température augmente, les grands axes tendent à devenir perpendiculaires aux couches. Les fluctuations polaires restent pratiquement constantes (˜ 22°), mais les fluctuations azimutales augmentent rapidement et deviennent uniformes à la transition C-A. Les valeurs des paramètres d'ordre correspondants sont données De plus, dans toutes les mésophases, sauf peut-être dans la phase VI, les trois cycles phényles se réorientent autour de leur axe para, et dans les phases C, A et nématique, les molécules s'isomérisent rapidement (isomérisation trans-trans) sur une échelle de temps de 10-6 à 10-7 s. Tous ces résultats semblent prouver définitivement que les théories de Meyer-McMillan [1] et de Meyer [2] ne s'appliquent pas aux phases inclinées du TBBA.

PACS
6130G - Orientational order of liquid crystals; electric and magnetic field effects on order.
6118F - Magnetic resonance techniques; Mössbauer spectroscopy.

Key words
liquid crystal phase transformations -- molecular orientation -- nematic liquid crystals -- neutron diffraction examination of materials -- nuclear magnetic resonance -- nuclear quadrupole resonance -- organic compounds -- smectic liquid crystals