Smectic Compressibility of Polymer-Containing Lyotropic Lamellar Phases: An Experimental Tool to Study the Thermodynamics of Polymer Confinement

(Received 24 May 1996, received in final form 30 September 1996, accepted 3 December 1996)

Abstract
We investigate a mixed amphiphilic system formed from a brine swollen surfactant lamellar phase in between the bilayers of which is incorporated a neutral water-soluble non-adsorbing polymer: polyvynilpyrilidone (PVP) with a very large molecular weight. This system allows an experimental realization of the various regimes of polymer confinement within infinite slits. The presence of polymer will induce a new effective interaction between the bilayers which depends on the confinement regime of the macromolecular solution. We calculate the contribution of this polymer mediated interaction to the smectic compressibility in the four expected regimes of polymer confinement and show that it is a non monotonic function of the polymer concentration. This smectic compressibility is of particular interest because it can be readily derived from small angle scattering measurements. Our model allows a quantitative interpretation of the critical L /L phase separation which is observed upon progressive addition of salt at a particular composition of the system.

Résumé
Nous avons découvert un système mixte constitué d'une phase smectique de membranes fluides (mélange en proportion appropriée d'hexanol et de chlorure de céthylpyridinium), dans une solution aqueuse d'un polymère hydrosoluble neutre non adsorbant de très grande masse moléculaire : le polyvinylpyrolidonne. Ce système permet de réaliser expérimentalement les diverses situations de confinement d'une solution de macromolécules entre deux plans. La présence du polymère entre les membranes induit une interaction effective entre membranes qui dépend du régime de confinement. Nous calculons la contribution à la compressibilité smectique de cette interaction effective dans chacun des quatres régimes attendus ; c'est une fonction non monotone de la concentration en polymère dans le solvant. Cette grandeur thermodynamique est particulièrement intéressante car elle est mesurable par diffusion de rayonnement aux petits angles (X ou neutrons). Notre modèle permet d'interpréter quantitativement la séparation de phase lamellaire/ lamellaire observée par addition progressive de sel pour une composition particulière du système.