Equation of state and structure of electrostatic colloidal crystals: Osmotic pressure and scattering study

Abstract

Des suspensions aqueuses de particules de bromopolystyrene ont ete caracterisees par diffusion de lumiere, diffusion de rayons X aux petits angles et par des mesures de pression osmotique. Nous avons ainsi etudie leur structure et les interactions interparticulaires en fonction de la fraction volumique a salinite constante de l'ordre de la micromole/1. Lorsque la cristallisation est lente, nous observons des cristaux parfaits cubiques centres par diffusion de lumiere pour des fractions volumiques comprises entre 0,04 et 0,7 % et cubiques faces centrees par diffusion de rayons X aux petits angles pour des fractions volumiques plus elevees (2-12 %). Apres cisaillement, des defauts apparaissent dans les cristaux ; ils sont caracterises par la disparition de certaines raies de Bragg en diffusion de lumiere pour des echantillons de fraction volumique comprise entre 0,1 et 0,3 % et par la presence d'un pre-pic observe par diffusion de rayons X aux petits angles avant le premier pic de Bragg, pour des echantillons plus concentres (2-12 %). Les pressions osmotiques ont ete mesurees par difference de pression hydrostatique entre la solution et le reservoir separes par une membrane hemipermeable. Les donnees experimentales sont bien reproduites par la theorie Poisson Boltzmann Reseau (PBR) qui montre que les interactions sont purement repulsives. Aucune force attractive faible de longue portee n'a ete detectee experimentalement. En calculant le deplacement moyen d'une particule a l'interieur de sa cage a l'aide du modele PBR excentre, nous avons verifie que le critere de Lindemann etait satisfait pour tous les cristaux observes. Cette etude a permis de determiner l'equation d'etat d'un cristal colloidal electrostatique. Les resultats sont equivalents a une mesure de force ultraprecise puisque les forces d'interaction mesurees entre particules sont de l'ordre de 10 -12 N pour des distances centre a centre de l'ordre de 4000 A.