J. Phys. France 42, 1007-1013 (1981)
DOI: 10.1051/jphys:019810042070100700

Observation of elementary edge dislocations in phospholipid multilayers and of their annealing as a determination of the permeation coefficient

W.K. Chan^{1, 2} et W.W. Webb<sup>1

1</sup>  School of Applied and Engineering Physics, Clark Hall, Cornell University, Ithaca, N.Y. 14853, U.S.A.
²  Present address : Bell Telephone Laboratories, Murray Hill,N.J. 07974, U.S.A.

Abstract
We have observed the elementary edge dislocations in a phospholipid smectic liquid crystal lightly doped with a uniformly distributed, fluorescent, lipid analogue. Scanning the fluorescence intensity of a wedge crystal with 8 μm spatial resolution provided adequate photon statistics to detect changes of one bilayer in fifty. Fresh samples contain a dislocation density of about 1 × 107/cm2 which must anneal away before the bilayer edges in the wedge become clearly distinguishable. Annealing of dimyristoyl phosphatidylcholine (DMPC) requires 2-4 weeks at 35 °C in the Lα phase and does not occur during 3 months at 17 °C in the Pβ' phase. The annealing process requires the transfer of lipid molecules between neighbouring bilayers ; thus the annealing time depends upon the permeation coefficient λ p which appears in the viscoelastic equations for a smectic liquid crystal and provides a convenient determination of λp. We find λp is about 1 × 10-30 cm2/poise at 37 °C and is considerably smaller at 17 °C. Additional defects appear when the sample is cooled through the transition temperature; these anneal away within 2 days if the temperature is raised again within a short time, but require the full 2-4 weeks if the sample is in the Pβ' phase for more than a day.

Résumé
Nous avons observé les dislocations-coin élémentaires d'un cristal liquide smectique phospholipidique légèrement dopé par un analogue, fluorescent et uniformément distribué. Le balayage de l'intensité fluorescente d'un cristal en forme de coin de 8 μm de résolution spatiale fournit assez de statistiques de photons pour la détection des modifications d'une bicouche sur cinquante. Les échantillons frais ont une densité de dislocations à peu près de 1 x 107 cm-2 ; celle-ci doit être recuite afin que les coins des bicouches deviennent bien distincts. Le dimyristoyl phosphatidylcholine (DMPC) exige d'être recuit de 2-4 semaines à 35 °C dans une phase Lα et la guérison n'intervient pas après un recuit de 3 mois à 17 °C dans une phase Pβ'. Le procédé de recuit exige le transport de molécules lipides entre bicouches voisines ; aussi le temps de recuit dépend-t-il du coefficient de perméation λp qui apparaît dans les équations viscoélastiques d'un cristal liquide smectique, et offre-t-il un procédé pratique pour la détermination de λp. Nous trouvons pour λ p une valeur approximative de 1 × 10-30 cm2/poise à 37 °C et cette valeur diminue considérablement à 17 °C. D'autres défauts apparaissent lorsque l'échantillon est refroidi en traversant la température de transition. Ces derniers disparaissent en 2 jours de recuit si la température est augmentée à nouveau, mais il faut 2-4 semaines si l'échantillon est en phase Pβ' pour plus de 24 h.

PACS
6130E - Experimental determinations of smectic, nematic, cholesteric, and other structures.
6172B - Theories and models of crystal defects.
6630L - Diffusion of other defects.

Key words
annealing -- edge dislocations -- impurity distribution -- membranes -- organic compounds -- permeability -- smectic liquid crystals