Numéro
J. Phys. France
Volume 45, Numéro 3, mars 1984
Page(s) 529 - 538
DOI https://doi.org/10.1051/jphys:01984004503052900
J. Phys. France 45, 529-538 (1984)
DOI: 10.1051/jphys:01984004503052900

Nematic-smectic A-reentrant nematic transitions in 80CB : 60CB mixtures

A.R. Kortan, H. von Känel, R.J. Birgeneau et J.D. Litster

Department of Physics and Center for Materials Science and Engineering, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts 02139, U.S.A.


Abstract
We have carried out an extensive high resolution x-ray scattering study of the nematic-smectic A (N-S A) and reentrant nematic-smectic A (RN-SA) phase transition behaviour in mixtures of octyloxycyanobiphenyl (8OCB and hexyloxycyanobiphenyl (60CB). The smectic A phase boundary is found to be parabolic in the temperature-concentration plane with a median temperature TM = 38.06 °C and a critical concentration y0 = 0.427; here y is the 60CB :80CB molecular ratio. Detailed studies of the smectic fluctuations in the nematic phase are reported for y = 0.33, 0.413, 0.420, 0.429, 0.440 and 0.443. The first three concentrations exhibit N-SA and RN-SA transitions, whereas in the latter three samples with decreasing temperature the smectic correlation lengths and susceptibility exhibit maxima at TM and then decrease with a further decrease in temperature. The data are analysed using an extension of the Pershan-Prost optimal density theory. All of the data are well-described by the phenomenological theory; the critical exponents so-obtained are v ∥ = 0.76 ± 0.03, v⊥ = 0.62 ± 0.05 and γ = 1.49 ± 0.07. These agree quantitatively with values obtained in single layer materials with comparable nematic ranges; thus the N-SA and RN-SA transitions are identical in character to conventional N-SA transitions provided that one includes the crossover effects inherent in the parabolic phase boundary. Studies of the in-plane fluid structure factor in the N, SA and RN phases show that the mean molecular spacings and positional correlations are closely similar to those in single layer materials; in each phase the structure factor is well described by a circularly-averaged Lorentzian with a correlation length of 6.9 Å. These results argue strongly against pairing models for the reentrant behaviour. We conclude with a phenomenological discussion of the optimal density model which is so successful here and models based on competing order parameters which are required to describe the varied behaviour observed in other polar materials.


Résumé
Nous avons étudié par diffusion des rayons-x à haute résolution les transitions nématique-smectique A (N-SA) et nématique réentrant-smectique A (RN-SA) dans des mélanges de octyloxycyanobiphényle (8OCB) et de hexyloxycyanobiphényle (60CB). Sur le graphe température en fonction de y, rapport moléculaire 60CB: 8OCB la frontière smectique A-nématique est une parabole centrée autour d'une température moyenne TM = 38,06 °C. La phase smectique existe pour y inférieur à y0 = 0,427. Nous avons étudié les fluctuations smectiques dans la phase nématique pour y = 0,33 ; 0,413 et 0,420. Nous avons fait aussi des expériences pour y = 0,429 ; 0,440 et 0,443 où la longueur de corrélation smectique et la susceptibilité présentent un maximum à TM. Il a été possible d'analyser quantitativement les résultats en employant une extension de la théorie de Pershan et Prost qui suppose une densité optimale. On trouve un bon accord entre les données et la théorie avec les exposants critiques v II = 0,76 ± 0,03, v⊥ = 0,62 ± 0,05 et γ = 1,49 ± 0,07, qui correspondent bien aux valeurs obtenues pour un smectique monocouche ayant une phase nématique de même taille. Donc, les transitions N-SA et RN-SA sont de même nature que la transition N-SA habituelle si on tient compte de la frontière parabolique. Nos observations du facteur de structure fluide dans le plan des couches des phases N, SA et RN montrent que la séparation moyenne des molécules et les corrélations de position ressemblent à ceux des smectiques monocouches. Dans chaque phase le facteur de structure est bien décrit par une Lorentzienne après moyenne azimutale avec une longueur de corrélation de 6,9 Å Ces résultats vont à l'encontre des modèles expliquant le comportement rentrant par un changement de couplage moléculaire. Nous discutons le modèle de densité optimale, qui a réussi ici, et d'autres modèles de paramètre d'ordre en compétition qui sont nécessaires pour expliquer le comportement observé dans d'autres matériaux polaires.

PACS
6470M - Transitions in liquid crystals.

Key words
liquid crystal phase transformations -- nematic liquid crystals -- organic compounds -- smectic liquid crystals -- X ray diffraction examination of liquids