J. Phys. France 42, 39-52 (1981)
DOI: 10.1051/jphys:0198100420103900

Forces due to structure in a thin liquid crystal film

R.G. Horn¹, J.N. Israelachvili¹ et E. Perez<sup>1, 2

1</sup>  Department of Applied Mathematics, Research School of Physical Sciences, The Australian National University, Canberra, A.C.T. 2600, Australia
²  Present address : Physico-Chimie des Surtaces et des Membranes,C.N.R.S., U.E.R. Biomédicale, 45, rue des Saint-Pères, 75006 Paris, France.

Abstract
Measurements of the force as a function of distance between two solids separated by a liquid crystal film give information on the structure of the film. We report such measurements for two molecularly smooth surfaces of mica separated by the nematic liquid crystal 4'-n-pentyl 4-cyanobiphenyl (5CB) in both the planar and homeotropic orientations at room temperature. The force is determined by measuring the deflection of a spring supporting one of the mica pieces, while an optical technique is used to measure the film thickness to an accuracy of ± (0.1-0.2) nm. The technique also allows the refractive indices of the nematic to be measured, and hence a determination of the average density and order parameter of the liquid crystal film as a function of its thickness. Three distinct forces were measured, each reflecting a type of ordering of the liquid crystal near the mica surfaces. The first one results from elastic déformation in the liquid crystal ; it was only observed in a twisted planar sample where the 5CB molecules are oriented in different directions at the two mica surfaces. The second, measured in both the planar and homeotropic orientations, is attributed to an enhanced order parameter near the surfaces. Both of these are monotonic repulsive forces measurable below 80 nm. Finally, there is a short-range force which oscillates as a function of thickness, up to about six molecular layers, between attraction and repulsion. This results from ordering of the molecules in layers adjacent to the smooth solid surface. It is observed in both the planar and homeotropic orientations, and also in isotropic liquids.

Résumé
On peut obtenir des renseignements sur la structure d'un film de cristal liquide qui sépare deux surfaces solides en mesurant les variations, en fonction de leur séparation, de la force qui s'exerce entre elles. Ici, ces mesures sont faites en utilisant des surfaces de mica moléculairement planes séparées par un cristal liquide, le 4'-n-pentyl 4-cyanobiphényle (5CB). L'orientation du 5CB est soit planaire soit homéotrope. La force est déterminée par la mesure de la flexion d'un ressort qui supporte une des feuilles de mica, et une technique optique est simultanément utilisée pour mesurer l'épaisseur du film avec une précision de ± (0,1-0,2) nm. Cette technique permet également de mesurer les indices de réfraction du film de cristal liquide et donc de déterminer la densité et le paramètre d'ordre moyens en fonction de son épaisseur. On met en évidence trois types de forces, chacun reflétant un mode de structuration du cristal liquide près des surfaces de mica. Le premier provient d'une déformation élastique dans le cristal liquide ; il est uniquement observé dans les films planaires twistés où les molécules de 5CB sont orientées dans des directions différentes sur les deux surfaces de mica. Le second, mesuré à la fois dans les structures planaires et homéotropes, est attribué à une augmentation du paramètre d'ordre près des surfaces. Ces deux forces sont répulsives et monotones, mesurables en dessous de 80 nm. Enfin, il y a une force de courte portée (jusqu'à six couches moléculaires) qui oscille entre l'attraction et la répulsion en fonction de l'épaisseur. Ceci provient de la structuration des molécules en couches près de la surface solide. On observe ce phénomène dans les structures planaires, homéotropes, et également dans des liquides isotropes.

PACS
6130E - Experimental determinations of smectic, nematic, cholesteric, and other structures.
6220F - Deformation and plasticity (including yield, ductility, and superplasticity).

Key words
elastic deformation -- liquid films -- nematic liquid crystals -- refractive index