Between cylinders and bilayers : structures of intermediate mesophases of the SDS/water system

Abstract
The classical geometries for the packing of amphiphile molecules in the ordered phases of lyotropic systems are the lamellar phase where bilayers of amphiphilic molecules are separated by water layers, and the hexagonal phase where cylinders of amphiphile are arranged on a two-dimensional hexagonal lattice. These phases only exist for definite compositions of the water/amphiphile system ; in between them, there usually lies a vast concentration region which allows the system to cross from zero curvature (bilayers) to finite curvature (cylinders). The problem with such intermediate regions is that they may contain a large number of mesophases, each limited to a very narrow range of compositions (˜ 1 %). To solve this problem we deliberately create a spatial gradient in the concentration of water/amphiphile of each sample ; such samples are scanned by the X-ray beam of a synchrotron source, allowing diffraction patterns to be recorded at concentration intervals ˜ 0.05 %. For the system SDS/water we have identified 4 intermediate mesophases : a tetragonal phase, a cubic phase, a rhomboedral phase and a two-dimensional monoclinic phase. These structures show that the system manages to cross from a planar geometry to a cylindrical geometry in a nearly continuous way.

Résumé
L'empilement des molécules amphiphiles dans les phases ordonnées des systèmes lyotropes est décrit de manière classique dans deux cas extrêmes: la phase lamellaire où des bicouches de molécules amphiphiles sont séparées par des lamelles d'eau et la phase hexagonale, où les cylindres d'amphiphiles sont situés aux noeuds d'un réseau bidimensionnel hexagonal. Ces phases n'existent que pour certaines compositions du mélange eau/amphiphile ; entre ces extrêmes, s'étend une vaste plage de concentrations qui permet au système de passer d'une courbure nulle (bicouches) à une courbure finie (cylindres). Dans ces régions intermédiaires, on trouve un grand nombre de mésophases, chacune étant réduite à n'exister que sur une bande très étroite de concentrations (~ 1 %). Afin de résoudre ce problème, nous avons délibérément créé un gradient spatial en concentration du mélange eau/amphiphile pour chaque échantillon ; de tels échantillons sont déplacés devant le faisceau de rayons X de D24 au LURE, ce qui permet l'enregistrement de spectres de diffraction tous les ˜ 0,05 %. Pour le système SDS/eau nous avons identifié 4 mésophases intermédiaires: une phase tétragonale, une phase cubique, une phase rhomboédrique et une phase monoclinique bidimensionnelle. Ces structures montrent que le système peut passer d'une géométrie planaire à une géométrie cylindrique de manière quasiment continue.