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Stripes, fingers and skyrmions : taming cholesteric liquid crystal shells under perpendicular anchoring
Liquid crystals are widely known for their use in flat-panels displays, ubiquitous in our modern lives, owing to their unique properties. They are ordered, anisotropic fluids that possess birefringence and orientational elasticity. Thirty years ago, following the successful chemical synthesis of stable room-temperature liquid crystalline molecules, engineers conceived a revolutionary technological application, and a Nobel Prize in physics crowned the fundamental understanding of this intermediate phase of matter. The story could have ended there, but it did not : nowadays, liquid crystals are recognized as a model playground to combine soft matter with topology, offering the prospect of drawing analogies with other fields of fundamental physics, as well as designing artificial materials with exotic abilities. For instance, liquid crystals cannot fill a space having the topology of a sphere without creating defects in their local ordering. In this work, using microfluidics and polarized microscopy, we create, manipulate and observe liquid crystal shells – double emulsions that confine liquid crystals to a spherical geometry between two water phases. We first uncover a new temperature-driven mechanism for tuning the orientation of the molecules at a water / liquid crystal boundary. We then apply this mechanism to cholesteric shells, in which the liquid crystal molecules spontaneously organize into helices. This tendency to twist conflicts with changes in molecular orientation at the interfaces, leading to frustration which is only resolved through the rise of striped patterns. Lastly, we investigate situations of even greater frustration, forcing the cholesteric to untwist almost everywhere except in solitonic structures such as fingers and skyrmions. We study both dynamical interconversions between these objects and their packing on a curved space.
Bandes, stries, doigts et skyrmions : exploration et contrôle des motifs de coques de cristaux liquides cholestériques sous ancrage perpendiculaire
Omniprésents dans les technologies d’affichage, les cristaux liquides sont partout autour de nous. Ce sont des fluides ordonnés et anisotropes, dotés d’une forte biréfringence et d’une élasticité d’orientation. Il y a trente ans, les progrès en synthèse chimique ont permis aux ingénieurs de leur donner une application révolutionnaire, et un prix Nobel de physique est venu couronner leur compréhension fondamentale. Mais l’histoire ne s’est pas arrêtée là. Aujourd’hui, ils sont devenus le terrain de jeu par excellence pour combiner matière molle et topologie, afin d’établir des analogies avec d’autres domaines fondamentaux de la physique, ou d’imaginer des matériaux artificiels aux capacités exotiques. Par exemple, des cristaux liquides ne peuvent pas remplir un espace ayant la topologie d’une sphère sans créer de défauts dans leur agencement. Dans cette thèse, nous fabriquons, manipulons et observons des coques de cristaux liquides – des doubles émulsions qui confinent les cristaux liquides à une géométrie sphérique entre deux phases aqueuses. Nous commençons par présenter un mécanisme inédit de contrôle par la température de l’orientation des molécules à une interface eau / cristal liquide. Nous appliquons ensuite ce mécanisme à des coques cholestériques, dans lesquelles les molécules de cristal liquide s’organisent en hélice. Cet agencement est incompatible avec des changements d’orientation aux interfaces : le système se retrouve frustré, et soulage cette frustration en formant des bandes ou des stries. Enfin, nous examinons des situations où la frustration est telle que les hélices sont forcées de se dérouler presque partout, sauf dans des structures solitoniques comme des doigts cholestériques ou des skyrmions. Nous étudions à la fois des transitions dynamiques entre ces objets et leur organisation en géométrie courbe.