The symmetric-asymmetric transition of the sponge phase : I. Effect of the salinity

(Received 7 January 1994, received in final form 23 March 1994, accepted 28 March 1994)

Abstract
A systematic study of pseudoternary systems made of salted water, pentanol and SDS is presented for salt concentrations ranging from 20 to 80 g/l of NaCl. In the dilute part of the phase diagram, the system with the lowest salt concentration is known to present a continuous phase transition between phases of randomly interconnected membranes, namely a sponge (symmetric) and an asymmetric phase. The same topology is found as the salt concentration is increased and the evolution of the characteristics of the symmetric-asymmetric phase transition is studied. Light scattering experiments are first described. We show that the scattered intensity should be analysed in terms of a product of a structure and a form factor. The latter contribution gives directly the geometrical size of the phase (the mean distance between the membranes) without using any thermodynamical model and therefore gives an unambiguous location of the symmetric-asymmetric phase transition. The structure factor gives the critical behaviour at the phase transition. Electrical conductivity as a function of the frequency (in the range 100 Hz-15 MHz) has also been measured for the first time in this kind of systems. These phases can be considered as composites of a conducting solvent and a dielectric membrane and the data are analysed in terms of a low frequency (DC) conductivity leading to an " obstruction " factor and a dielectric constant strongly dependent on the frequency. Far from the S/A phase transition, the obstruction factor is constant and the dielectric constant shows a single Debye-like relaxation. Simple scaling laws are found for the variation of the intensity and of the frequency as a function of dilution. This indicates that the mode probes the " local structure " of the sponge phase. Near the S/A phase transition, in addition to this mode, another dielectric relaxation is observed at lower frequencies. At the same time, a departure from the scaling laws of the Debye mode and an increase of the obstruction factor can be interpreted as evidence for defects (holes ?) on the membrane. We show that the role of these defects increases as the salt concentration decreases.

Résumé
Nous présentons une étude systématique de systèmes pseudoternaires : eau salée, pentanol, SDS pour des concentrations en sel variant de 20 à 80 g/l de NaCl. Dans la zone diluée du diagramme de phase, le système à plus faible salinité est connu pour présenter une transition de phase continue entre une phase de membranes interconnectées aléatoirement, la phase éponge (symétrique) et une phase asymétrique. Nous trouvons la même topologie du diagramme de phase lorsque l'on augmente la concentration en sel et nous étudions l'évolution des caractéristiques de la transition symétrique/asymétrique. Dans une première partie des expériences de diffusion de la lumière sont décrites. Nous montrons que l'intensité diffusée doit être analysée en terme de produit d'un facteur de structure et d'un facteur de forme. La contribution du facteur de forme permet d'obtenir directement la taille géométrique de la phase (la distance moyenne entre les membranes) sans que l'on utilise un modèle thermodynamique et permet cependant d'obtenir sans ambiguïté la position de la transition symétrique/asymétrique. Le facteur de structure renseigne sur le comportement critique à la transition. La dépendance en fréquence de la conductivité électrique (dans le domaine 100 Hz-15 MHz) a également été mesurée pour la première fois dans ce type de systèmes. Ces phases peuvent être considérées comme un composite constitué d'un solvant conducteur et d'une membrane diélectrique et les données sont analysées en tenne de conductivité basse fréquence (DC) conduisant à un facteur " d'obstruction " et une constante diélectrique fortement dépendante de la fréquence. Loin de la transition de phase S/A, le facteur d'obstruction est constant et la constante diélectrique montre une relaxation de Debye. Des lois d'échelle simples sont obtenues pour les variations de l'intensité et de la fréquence en fonction de la dilution. Ceci indique que le mode est relié à la " structure locale " de la phase éponge. Au voisinage de la transition de phase S/A, une autre relaxation, qui se superpose au mode précédent, est observée à des fréquences plus basses. En parallèle, un écart aux lois d'échelles du mode de Debye et un accroissement du facteur d'obstruction peut être interprété comme une preuve de l'existence de défauts (des trous ?) sur la membrane. Nous montrons que l'importance de ces défauts augmente lorsque la concentration en sel diminue.