Distortion of DNA cholesteric liquid crystal quenched at low temperature : geometrical analysis and models

(Received 5 March 1992, accepted in final form 16 July 1992)

Abstract
Freeze-fracture electron microscopy allows an ultrastructural analysis of deformations of a DNA cholesteric liquid crystalline sample subjected to a compressive stress applied parallel to the layers, when quickly frozen by projection onto a copper block cooled down to about 10 K. A geometrical model of these deformations is proposed. After a brief recall of the usual representation of the cholesteric structure as a succession of equidistant pseudoplanes, we show that these planes are distorted into sinusoidal surfaces whose wavelength is much smaller than the cholesteric pitch and its amplitude modulated with the average molecular orientation relative to the compressive force. The consequences of these deformations regarding double twist occurrence within the structure are analysed. When the DNA concentration in the cholesteric mesophase is low, a complex helicoidal structure is observed. A relationship between these two phenomena is considered and discussed.

Résumé
La microscopie électronique associée à la technique de cryofracture permet une analyse ultrastructurale des déformations de l'organisation cristalline liquide cholestérique d'un échantillon d'ADN en solution : lors de la congélation par projection contre un bloc de cuivre refroidi à environ 10 K par de l'hélium liquide, l'échantillon est soumis à des forces de compression parallèles à la stratification cholostérique. Nous présentons une modélisation géométrique de ces déformations. Après un bref rappel de la représentation schématique de la structure cholestérique par une série de plans fictifs, nous montrons que ces plans sont alors transformés en surfaces sinusoïdales dont la période est très inférieure au pas cholostérique et l'amplitude modulée en fonction de l'orientation relative des molécules et de la force de compression. Les conséquences de telles déformations sur l'émergence de double twist dans la structure sont examinées. Pour les plus faibles valeurs de concentration en ADN dans la phase cholestérique, nous observons des structures hélicoïdales complexes. Une relation avec le premier phénomène décrit est envisagée et discutée.