J. Phys. France 47, 529-547 (1986)
DOI: 10.1051/jphys:01986004703052900

Order and micellar density fluctuations in the biaxial, uniaxial (Nc and ND), and isotropic phases of a lyotropic nematic liquid crystal studied by light beating spectroscopy

M. B. Lacerda Santos et G. Durand

Laboratoire de Physique des Solides, Bât. 510, Université de Paris-Sud, 91405 Orsay, France

Abstract
We have performed Rayleigh scattering measurements to study thermally excited fluctuations in a lyotropic nematic liquid crystal system exhibiting uniaxial and biaxial nematic phases. The biaxial nematic order parameter has been defined by de Gennes as a symmetric, traceless, 2nd rank tensor. The dynamics of the order parameter fluctuations predicts 5 normal modes : 2 are associated to the fluctuations in the (uniaxial and biaxial) magnitudes of the order (scalar modes); 3 are associated to the small rigid rotations of the order parameter ellipsoid, around its principal axes (orientational modes). Using a Landau-Khalatnikov formalism we have estimated the temperature dependence of the relaxation rates for these 5 modes, valid for the uniaxial and biaxial phases. We present relaxation rate data obtained from polarized and depolarized Rayleigh scattering in the biaxial, uniaxial Nc, uniaxial N D (Nc-negative birefringence; ND-positive birefringence), and isotropic phases of the K-laurate, decanol, D2O lyotropic nematic system. We have identified the 5 expected modes arising from the order parameter fluctuations. In particular, we present the experimental demonstration of the new orientational mode associated to the rotations of the biaxial « director », and the observation, in ordered phases, of the magnitude fluctuations of the uniaxial and biaxial order parameter. In addition to the 5 modes, we have found a new scalar mode in polarized scattering. This slow mode is tentatively attributed to fluctuations in micellar concentration.

Résumé
Nous avons réalisé des mesures de diffusion de lumière (Rayleigh) pour étudier la dynamique des fluctuations thermiques dans les phases nématiques uniaxe et biaxe d'un cristal liquide lyotrope. Le paramètre d'ordre nématique biaxe a été défini par de Gennes comme un tenseur d'ordre 2, symétrique, à trace nulle. La dynamique des fluctuations du paramètre d'ordre prédit 5 modes normaux : 2 sont associés aux fluctuations de module des paramètres d'ordre uniaxe et biaxe (modes scalaires) : 3 sont associés aux petites rotations rigides de l'ellipsoide représentant le tenseur autour des axes principaux (modes orientationnels). Nous avons estimé, en utilisant le formalisme de Landau-Khalatnikov, les dépendances en température des taux de relaxation associés aux 5 modes, pour les phases uniaxe et biaxe. Nous présentons des données du taux de relaxation obtenues en lumière diffusée polarisée et dépolarisée dans les phases biaxe, uniaxe Nc, uniaxe ND (N c - biréfringence négative; ND biréfringence positive), et isotrope du système lyotrope nématique K-laurate, décanol, D2O. Nous avons identifié chacun des 5 modes prévus associés aux fluctuations du paramètre d'ordre. Notamment, nous présentons la démonstration expérimentale du nouveau mode orientationnel associé aux rotations du directeur biaxe et l'observation des fluctuations associées au module du paramètre d'ordre uniaxe et biaxe dans les phases ordonnées. En plus des 7 modes, nous avons trouvé un nouveau mode scalaire en diffusion polarisée. Ce mode lent est attribué provisoirement aux fluctuations de densité micellaire.

PACS
6130E - Experimental determinations of smectic, nematic, cholesteric, and other structures.
6130G - Orientational order of liquid crystals; electric and magnetic field effects on order.
7835 - Brillouin and Rayleigh scattering; other light scattering.

Key words
birefringence -- colloids -- heavy water -- molecular orientation -- molecular reorientation -- nematic liquid crystals -- organic compounds -- potassium compounds -- Rayleigh scattering