Пружна взаємодія колоїдних частинок у нематичних рідких кристалах

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ

Огниста Уляна Михайлівна

УДК 532.783; 544.252.22; 54-148; 544.022.54

Пружна взаємодія колоїдних частинок

у нематичних рідких кристалах

01.04.15 - фізика молекулярних і рідких кристалів

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ -- 2008

ДИСЕРТАЦІЄЮ Є РУКОПИС

Робота виконана в Інституті фізики НАН України

Науковий керівник:

доктор фізико-математичних наук

старший науковий співробітник

Назаренко Василь Геннадійович,

Інститут фізики НАН України,

провідний науковий співробітник

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор

Рєзніков Юрій Олександрович,

Інститут фізики НАН України,

завідувач відділу фізики кристалів

доктор фізико-математичних наук,

старший науковий співробітник

Настишин Юрій Адамович,

Інститут фізичної оптики МОН України,

зав. сектором біооптики та оптики рідких кристалів

Захист відбудеться “ 25 ” вересня 2008 року о 14 год. 30 хв. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.26.159.01 при Інституті фізики НАН України за адресою: 03680, Київ, проспект Науки, 46.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту фізики НАН України.

Автореферат розісланий “ 12 ” серпня 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради О.О. Чумак

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Дисперсії малих частинок у матриці є доволі поширеним і важливим станом матерії. Колоїдні дисперсії, розмір частинок в яких становить від 10 нм до 10 мкм, можуть бути як природного походження, так і створені людиною. З давніх часів вони є частиною людського життя і зустрічаються, наприклад, у продуктах харчування, ліках, фарбах, косметиці й ін. Зокрема, звичайне молоко - це найбільш відома природна емульсія часточок жиру у воді, а для отримання фарби ще первісні художники розмішували природні мінерали в розплавленому жирі. В усіх цих випадках диспергований матеріал є важливою компонентою, а утворена дисперсія набуває деяких властивостей диспергованого матеріалу. Дослідження механізмів формування та властивостей колоїдних систем продовжуються і зараз, в епоху інтенсивного розвитку науки і високих технологій.

Віднедавна колоїдні частинки почали використовувати як компоненту, яка здатна змінити властивості матриці, в якій вони дисперговані. В цьому розумінні матеріал, з якого зроблені частинки, менш важливий, ніж та обставина, що ми маємо дисперсну систему, і на перший план виходять особливості просторового розподілу диспергованих частинок. Наприклад, періодичне розміщення прозорих кульок зумовлює періодичну в просторі залежність діелектричної проникливості, що забезпечує умови існування фотонного кристалу. Упорядковані структури колоїдних частинок мікронного та субмікронного розміру представляють собою новий клас оптичних матеріалів, оскільки їхні діелектричні та оптичні властивості можна змінювати на довжинах хвиль видимого світла. Такі матеріали, утворені шляхом упорядкування колоїдних частинок, перебувають у фокусі сучасного матеріалознавства. Проте, незважаючи на століття цілеспрямованих досліджень, механізми взаємодії частинок (найбільш відомим є електростатичне відштовхування та Ван дер Ваальсівське притягання) продовжують інтригувати дослідників.

Значне підвищення інтересу до дисперсних систем спричинило відкриття нового типу колоїдних систем - рідкокристалічних колоїдів. Незаперечна їхня перевага полягає в тому, що рідкі кристали унікально володіють властивостями як кристалу, так і ізотропної рідини. Рідкий кристал, подібно до твердого кристалу, відчуває дію моменту сил, породженого деформацією навколо колоїдних частинок, або інших сторонніх включень, а через відносно невисоку в'язкість, яка властива йому як рідині, ця дія призводить до перерозподілу сторонніх включень. Тобто частинки, внесені в рідкий кристал, “відчувають” одна одну, що породжує новий тип взаємодії - взаємодію через пружне поле директора. Характер цієї взаємодії визначається розподілом директора навколо кожної частинки і в багатьох аспектах схожий до електростатичної взаємодії між електричними мультиполями. Тому дослідження пружної взаємодії колоїдних частинок актуально як з точки зору проблем суто рідких кристалів, так і в загальнофізичному відношенні, коли результати досліджень виходять далеко за рамки фізики рідких кристалів.

З точки зору практичного використання колоїдної кристалізації, як контрольованої методики самовпорядковування для виготовлення нових матеріалів, необхідність детального експериментального та теоретичного дослідження механізмів пружної взаємодії колоїдних частинок в анізотропному середовищі є актуальним завданням сучасного матеріалознавства.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Матеріали, узагальнені в дисертації, були отримані при виконанні планових завдань науково-дослідних тем відділу молекулярної фотоелектроніки Інституту фізики НАН України 1.4.1. В/69 „Дослідження процесів колективних взаємодій в молекулярних системах на основі рідких кристалів”, номер держреєстрацiї 0101U000354 (2001-2003) і 1.4.1. В/109 „Дослідження фотоелектронних властивостей нанокластерних структур на основі органічних композитних матеріалів”, номер держреєстрацiї 0104U000683 (2004-2006); теми НДР для молодих науковців „Колективні ефекти в гетерогенних рідкокристалічних системах”, номер держреєстрацiї 0103U008720 (2003-2004); проектів CRDF № UK-P1-2598-KV-04 „З'ясування фізичних явищ, що лежать в основі поверхневого закріплення, індукованого абсорбцією” (2004-2006) і № UKP1-2617-KV-04 „Ліотропні хромонічні рідкі кристали: нові матеріали сучасної біосенсорики та оптичного використання” (2004-2006); проектів у рамках Словенсько-української міжурядової програми науково-технічного співробітництва № M-248/03 „Наноструктуровані рідкі кристали” (2003-2004), № M-116/05 „З'ясування фізичних явищ, що лежать в основі світлоіндукованого зчеплення з поверхнею” (2005-2006) і № М/83-2007 „Фотонні рідкі кристали” (2007-2008).

Метою роботи було експериментальне вивчення основних закономірностей пружної парної взаємодії колоїдних частинок у нематичному рідкому кристалі.

Відповідно до поставленої мети були сформульовані такі завдання:

1. Визначити величину та характер взаємодії колоїдних частинок з викривленим полем директора в нематичному рідкому кристалі. Визначити анізотропію такої взаємодії для випадків дипольної та квадрупольної конфігурації директора.

2. Визначити величину та характер взаємодії колоїдних частинок на поверхні нематичного рідкого кристалу.

3. З'ясувати механізм взаємодії колоїдних частинок та дослідити основні закономірності перебудови колоїдних структур під дією магнітного та електричного полів.

4. Експериментально встановити умови співіснування частинок з дипольною та квадрупольною конфігурацією директора та дослідити фізичні особливості змішаної диполь-квадрупольної пружної взаємодії частинок.

Об'єктом дослідження є процеси пружної парної взаємодії колоїдних частинок у нематичних рідких кристалах, а предметом досліджень - колоїдні частинки мікронного розміру, дисперговані в анізотропному середовищі.

Наукова новизна одержаних результатів роботи полягає в тому, що вперше:

- Досліджено взаємодію колоїдних частинок з викривленим полем директора, яка описується кулонівським потенціалом, ~1/r.

- Експериментально показано, що колоїдні частинки з дипольною конфігурацією директора мають складну, яскраво виражену анізотропну траєкторію притягання до локально деформованого директора. Частинки з квадрупольною конфігурацією директора демонструють симетричну траєкторію притягання.

- Встановлено, що взаємодія крапель гліцерину на поверхні нематичного рідкого кристалу має дипольний характер.

- Досліджено умови виникнення впорядкованих колоїдних структур та їх фазові перетворення і експериментально показано існування зворотного переходу гексагональної структури крапель гліцерину на поверхні нематика в ланцюжкову під дією зовнішнього магнітного та електричного полів.

- Експериментально визначено величину та характер змішаної диполь-квадрупольної пружної взаємодії колоїдних частинок в нематичному рідкому кристалі.

Практичне значення одержаних результатів:

1. Запропонована та обґрунтована методика отримання однорідного розподілу крапель гліцерину в рідкому кристалі. Визначено умови отримання необхідного розміру крапель.

2. Розроблені комп'ютерні програми, що дали змогу відслідковувати траєкторії крапель та відновити потенціал взаємодії частинок.

3. Побудовано двовимірні колоїдні кристалічні структури різної щільності та з різними елементарними комірками.

Особистий внесок здобувача. Автором особисто виконано повний обсяг експериментальних досліджень по проблемі, що розглядається в дисертації. Особистий внесок здобувача полягає в отриманні представлених в дисертації наукових результатів, підготовці та проведенні експериментів, в обговоренні проблемних завдань та постановках задач, що представлені в роботах [1*-8*]. А саме, в роботі [1*] дисертантом проведено експериментальні дослідження поведінки нематичної емульсії під дією магнітного поля, зокрема, вперше експериментально отримано перехід гексагональної структури гліцеринових крапель в ланцюжкову. У роботі [2*] дисертантом було проведено експериментальну роботу з дослідження впорядкованих структур гліцеринових крапель на поверхні нематичного рідкого кристала, розроблено нову методику їх отримання, експериментально визначено залежність періоду гексагональної структури від розміру частинок, досліджено залежність впорядкування в таких системах від товщини плівки. Для визначення положення крапель у вертикальній площині використано результати фокально-конічної поляризаційної мікроскопії, отримані І. Смалюхом в Інституті рідких кристалів (Кент, США). В роботах [3*-5*] автор у Люблянському університеті проводила експериментальне дослідження лазерного захоплення колоїдних частинок в нематичних рідких кристалах за допомогою лазерного пінцета. Нею було досліджено траєкторії взаємодії частинок з різною симетрією поля директора і областю з деформованим полем директора та визначено потенціал взаємодії між ними. В роботі [6*] нею проводилось експериментальне дослідження нематичних колоїдних періодичних структур з щільним впорядкуванням, умови їх формування та вплив на них зовнішнього електричного поля. Дисертантом було експериментально досліджено вплив електричного та магнітного полів на взаємодію двох частинок на поверхні нематичного рідкого кристала, визначено характер і величину пружної взаємодії крапель, а також вплив електричного поля на систему багатьох частинок [7*]. В роботі [8*] особисто дисертантом експериментально встановлено умови співіснування частинок з дипольною і квадрупольною симетрією директора в нематичному рідкому кристалі, вперше отримано траєкторії взаємодії таких частинок і експериментально визначено характер і величину пружної диполь-квадрупольної взаємодії, на основі якої за допомогою лазерного пінцета побудовано велику кількість різних двовимірних колоїдних ґраток. Всі експериментальні дослідження були автоматизовані, а для обробки даних здобувачем спільно з А. Ничем були розроблені комп'ютерні програми, що дали змогу відслідковувати траєкторії частинок та відновити потенціал їх взаємодії. Теоретичні розрахунки у роботах [1*, 2*, 4*, 6*] зроблено Б. Левом, С. Чернишуком та В. Пергаменщиком, числове моделювання в [3*, 5*, 8*] було проведено М. Равніком (Університет м. Любляна, Словенія). Загальна постановка завдання та обговорення теоретичних і експериментальних результатів були виконані спільно з науковим керівником. Здобувач брала активну участь в обговоренні та аналізі отриманих результатів і написанні статей.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації доповідались та обговорювались на таких наукових конференціях: ХІХ International Liquid Crystal Conference, Edingburg, UK, 2002; ХХ International Liquid Crystal Conference, Ljubljana, Slovenia, 2004; ХХІ International Liquid Crystal Conference, Keystone, USA, 2006; International Conference ”Modern Problems of Condensed Matter Optics”, Kyiv, Ukraine, 2006 і „APS March Meeting”, Denver, USA, 2007, а також на Підсумкових наукових конференціях Інституту фізики НАН України 2002 і 2007 років.

Публікації

Основні результати дисертації викладені в 13 роботах, з них 8 статей у фахових виданнях та 5 тез конференцій.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обговорюється стан наукової проблеми, обраної для досліджень, обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету роботи та основні завдання досліджень, показано зв'язок дисертаційної роботи з науковими програмами і темами, відображено наукову новизну і практичне значення роботи та отриманих результатів, визначений особистий внесок здобувача, наведені дані про структуру дисертації, апробацію її результатів, публікації.

У першому розділі дисертаційної роботи розглянуто фізичний механізм взаємодії колоїдних частинок в нематичному рідкому кристалі через пружне поле директора. Проведена систематизація складових частин пружної взаємодії, визначено зв'язок між симетрією деформації директора та характером результуючої взаємодії частинок в рідкому кристалі. Проаналізовано основні методи досліджень, а також умови проведення конкретних експериментів. У розділі також показано аналітичний підхід до опису пружної колоїдної взаємодії в нематичних рідких кристалах.

У другому розділі досліджено лазерне захоплення колоїдних частинок з малим показником заломлення у нематичному рідкому кристалі при потужності лазера, нижчій та вищій за поріг оптичного переходу Фредерікса, зокрема, описано характер пружної взаємодії колоїдних частинок з локально деформованим полем директора при потужності лазерного променя, вищій за поріг переходу Фредерікса. Для експериментів було використано сферичні кварцові частинки діаметром , покриті моношаром N,N-диметил-N-октадецил-3-амінопропіл-триметоксісілил хлоридом (ДМОАП), що забезпечувало дуже сильне гомеотропне поверхневе зчеплення нематичного рідкого кристала. Потім частинки були дисперговані в нематичному рідкому кристалі (5ЦБ чи Е12) і цією сумішшю заправлялись тонкі комірки, підкладки яких також були покриті ДМОАП для отримання хорошої гомеотропної орієнтації РК. Комірки мали різну товщину, від до .

Лазерний пінцет фокусували у площині вибраної частинки на відстані порядку від неї. При потужності лазера , вищій за поріг оптичного переходу Фредерікса, спостерігалось захоплення, яке ефективне на відстанях більших, ніж . Встановлено, чи є наявною анізотропія пружної взаємодії колоїдних частинок з дипольною і квадрупольною симетрією директора зі світлоіндукованим полем директора. При потужності лазера, вищій за потужність оптичного переходу Фредерікса, в основному, було виявлено два різних типи траєкторій частинок під час їх захоплення показано „павукоподібні”, зіркоподібні траєкторії. Різні симетрії цих двох типів траєкторій пов'язані з різною симетрією поля директора навколо колоїдної частинки - перший випадок показує, що сильне зчеплення на поверхні колоїдної частинки індукує дипольне викривлення директора, а інший - відповідає слабкому зчепленню, коли реалізується квадрупольна конфігурація директора.

Окрім експериментів із захоплення, було досліджено броунівський рух окремої частинки, подібно до того, як це зроблено в [1], і визначено добуток ефективного радіусу і в'язкості . Процедура отримання цих даних полягала в записі і комп'ютерному аналізі броунівського руху колоїдної частинки за відсутності лазерного пучка.

Для експериментального визначення потенціалу взаємодії дипольної частинки та локально деформованого директора було використано дані зі зміни положення частинок з часом при лазерному захопленні. Це дозволило з великою точністю визначити швидкість руху частинок і в результаті - досить точно визначити характер i величину енергії парної взаємодії частинок. Показано виміряну часову залежність відстані між колоїдною частинкою і лазерною пасткою під час захоплення в гомеотропній комірці, заповненій 5ЦБ, при потужності лазера , коли частинку відпускають вздовж легкої осі. графік тих самих даних, з яких добре видно степеневу залежність

з показником степеня . Цей показник пов'язаний з показником степеня , який описує залежність парного потенціалу

колоїдний взаємодія нематичний кристал

від відстані згідно із співвідношенням

.

Для це дає притягання за кулонівським законом з середнім показником степеня .

Для детальнішого аналізу залежності взаємодії між дипольною колоїдною частинкою і лазерною пасткою від відстані також було визначено залежність сили притягання від відстані. Після інтегрування сили по відстані отримали парний потенціал. Цей потенціал також кулонівського типу, як видно з наближення, представленого суцільною лінією, а його величина досягає на малих відстанях.

Сфокусований промінь лазера з потужністю, що вища порогу переходу Фредерікса деформує поле директора. Анізотропія взаємодії дипольної колоїдної частинки і деформованої світлом лазера області виникає внаслідок порушення симетрії деформованого нематика сфокусованим променем лазера. Деформація, яка спричинена променем лазера - це результат рівноваги між дією світла в центрі комірки і граничними умовами, що індукують гомеотропну орієнтацію біля стінок комірки. Для заданої геометрії було розраховано пружну енергію деформацій та визначено поле директора. Таким чином аналітично показано, що потенціал взаємодії колоїдної частинки і деформованої області, створеної лазером, залежить обернено пропорційно від відстані:

,

де - це азимутальний кут. Потенціал, розрахований з цієї залежності для заданої експериментальної величини . Ця взаємодія сильно анізотропна: існують два протилежні напрямки в площині поляризації: в одному з них частинка притягається в напрямку центра, а в протилежному - відштовхується.

Третій розділ присвячено дослідженню взаємодії колоїдних частинок на поверхні нематичного рідкого кристалу. В такому випадку за рахунок поверхні, яка обмежує частинки в одній площині, мають місце чисті двовимірні системи, і взаємодія між частинками дуже відрізняється від тієї, що виникає в об'ємних колоїдних системах. Окрім дифузного методу отримання таких нематичних емульсій було розроблено нову методику осадження гліцерину на нематичну плівку, в якій рідкий кристал наносився безпосередньо на тверду підкладку без товстого шару гліцерину. Гліцерин у даному випадку конденсується (осаджується) після нагрівання до температури ~ безпосередньо на поверхню нематичної плівки, яка тонким шаром нанесена на скляну підкладку. Це дозволило отримати однакові краплі навіть дуже маленького розміру порядку ~, контролювати через час осадження необхідні розмір і концентрацію крапель та прикласти до такої системи електричне поле. За допомогою флуоресцентної конфокальної поляризаційної мікроскопії було визначено, що краплі гліцерину мають контакт з повітрям. Для характеризації структур було розроблено методику отримання параметрів граток у горизонтальній площині шляхом розрахунку автокореляційної функції, зокрема, було визначено відстані між сусідніми частинками та кути між напрямками на сусідні частинки.

Взаємодією між частинками в рідкокристалічних колоїдах можна керувати за допомогою зовнішніх полів, таким чином контролюючи їхнє просторове впорядкування. Зокрема, магнітне чи електричне поле можуть бути важливими факторами впливу на розподіл директора навколо частинки, диспергованої в рідкому кристалі і, відповідно, на взаємодію між частинками.

Під дією магнітного поля, яке прикладене вздовж поверхні зразка, краплі гліцерину, що утворювали гексагональну гратку, вишиковуються в структуру з багатьох коротких ланцюгів, орієнтованих уздовж поля, довжина яких зростає зі збільшенням напруженості . Причиною того, що в магнітному полі змінюється просторовий розподіл крапель є те, що під впливом поля, молекули намагаються зорієнтуватись вздовж нього, змінюючи при цьому розподіл директора в зразку. Вплив електричного поля на взаємодію диспергованих у рідкому кристалі частинок має певні відмінності в порівнянні з дією магнітного поля. В електричному полі краплі також формують ланцюги, проте частинки значно швидше наближаються одна до одної і можна навіть досягти зливання крапель в напрямку поля, долаючи пружне відштовхування між ними, чого не спостерігалось навіть при сильних магнітних полях. Під дією електричного поля за рахунок різниці діелектричних проникливостей рідкого кристалу і гліцерину на кожній з краплин наводиться реальний дипольний момент і виникає диполь-дипольна взаємодія електричної природи. Така електрична взаємодія і є визначальною причиною того, що краплі наближаються одна до одної під дією електричного поля.

Маючи інструменти впливу на природу взаємодії між частинками (електричне чи магнітне поле), було визначено величину і характер взаємодії між ними. Прикладання спочатку магнітного, а потім електричного полів дало змогу порівняти вплив кожного з цих полів на частинки в нематичному РК та точніше визначити їхню взаємодію. З цією метою було записано положення двох крапель після вимкнення поля, коли частинки відштовхуються одна від одної і на них діють лише пружне відштовхування та сила в'язкого тертя Стокса. Проаналізувавши зміну з часом відстані між частинками після вимкнення магнітного поля, було відновлено енергію пружної взаємодії двох частинок. За допомогою методу найменших квадратів показано, що ця енергія має дипольний характер - положення експериментальних точок можна описати кривою

.

Спостерігаючи за краплями після вимкнення електричного поля, що прикладалось уздовж поверхні рідкого кристала, було також визначено залежність відстані між двома краплями від часу. А розрахована з цих даних енергія парної пружної взаємодії також показала її дипольний характер.

У четвертому розділі наведено результати дослідження пружної взаємодії двох колоїдних частинок з різною симетрією поля директора навколо них. Однакові частинки з гомеотропним поверхневим зчепленням при малій товщині рідкокристалічної комірки мають квадрупольну конфігурацію, а при великій - дипольну. Це було підтверджено експериментально, побудувавши гістограму залежності співвідношення дипольних і квадрупольних частинок в клиновій комірці як функцію товщини комірки. Зокрема, при певній критичній товщині комірки (для частинок розміром 4 мкм це приблизно 5,5 мкм) обидва типи частинок спостерігаються з однаковою ймовірністю. Величина критичної товщини залежить як від енергії зчеплення підкладок комірки, так і від енергії зчеплення на поверхні колоїдної частинки.

Спостерігаючи за частинками в області співіснування, було виявлено, що одна дипольна-квадрупольна пара частинок має три стабільні рівноважні положення. У першому - дипольна частинка розташована поблизу квадрупольної вздовж директора, а гіперболічний їжак лежить між ними. Коли цей дефект знаходиться з протилежного боку дипольної частинки, взаємодія між дипольною і квадрупольною частинками є відштовхувальною. Дві інші стабільні парні конфігурації симетричні і відповідають положенням, коли частинки розташовані під деяким кутом до директора. У цьому випадку ми спостерігаємо зміни орієнтації сатурнового кільця навколо квадрупольної частинки - в рівноважному положенні воно дещо деформоване і нахилене відносно початкового стану (коли квадрупольна частинка знаходиться на великій відстані від дипольної).

Для дослідження диполь-квадрупольної взаємодії, визначення напрямку, величини і характеру парної взаємодії за допомогою лазерного пінцета частинки виставлялись на різних відстанях одна від одної і під різними кутами відносно директора. Показано експериментальні траєкторії руху дипольної частинки відносно квадрупольної (суцільні лінії), а також розраховані траєкторії за допомогою електростатичної моделі енергії пружної диполь-квадрупольної взаємодії [2] (штрихові лінії). Для початкового положення, коли частинки наближаються одна до одної вздовж майже прямої лінії, було визначено, що сила взаємодії між ними залежить від відстані між центрами частинок за степеневим законом і відповідає диполь-квадрупольній взаємодії [2]. Інтегруючи отриману силу по відстані, ми визначили енергію цієї взаємодії. Величина її досить значна (порядку ).

Лазерним пінцетом було побудовано низку стабільних двовимірних періодичних колоїдних структур на основі змішаної диполь-квадрупольної взаємодії. Показано двовимірну бінарну колоїдну ґратку, утворену з дипольних і квадрупольних рядів частинок вздовж напрямку натирання. Ця комбінація ланцюгів повторюється в протилежній орієнтації в третьому і четвертому ряді, і призводить до утворення щільноупакованої структури з прямокутною елементарною коміркою, яка показана суцільною лінією. Елементарна комірка такої ґратки містить дві квадрупольні і дві дипольні частинки і має розмір з векторами ґратки і .

Крім такої гратки також було побудовано ряд інших двовимірних структур, зокрема, менш щільних і утворених періодичним повторенням будівельних блоків, що складаються з різної кількості дипольних і квадрупольних частинок.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ

1. Розроблено нові методи приготування монодисперсних колоїдних систем на основі нематичного рідкого кристалу з визначеними і контрольованими граничними умовами на поверхні частинок.

2. Встановлено величину та характер взаємодії колоїдних частинок з викривленим полем нематичного директора. Показано, що колоїдні частинки з дипольною конфігурацією директора мають складну, яскраво виражену анізотропну траєкторію притягання до локально деформованого директора. Величина взаємодії описується потенціалом кулонівського типу (~ 1/r). Частинки з квадрупольною конфігурацією директора демонструють симетричну траєкторію притягання.

3. Визначено величину та характер парної взаємодії колоїдних частинок на поверхні нематичного рідкого кристалу. Експериментально встановлено, що взаємодія крапель гліцерину, які частково занурені в рідкий кристал, має дипольний характер.

4. Досліджено основні закономірності виникнення впорядкованих колоїдних структур та їх фазові перетворення під дією зовнішніх магнітного та електричного полів. Вперше експериментально виявлено, що прикладене магнітне поле змінює розподіл крапель гліцерину на поверхні нематичного рідкого кристалу з гексагонального на лінійний. Довжина лінійних ланцюгів крапель та їх просторова орієнтація залежать від величини та напрямку магнітного поля.

5. Експериментально встановлено умови співіснування частинок з дипольною та квадрупольною конфігурацією директора, отримано величину та характер змішаної диполь-квадрупольної взаємодії між такими колоїдними частинками в нематичному рідкому кристалі. Вперше експериментально встановлено, що сила диполь-квадрупольної взаємодії вздовж напрямку сильного притягання залежить від відстані між частинками як ~ 1/r⁵. Показано, що цей змішаний тип взаємодії призводить до формування двовимірних колоїдних ґраток в бінарних сумішах дипольних і квадрупольних колоїдних частинок, які не можуть бути реалізовані в жодній іншій колоїдній системі.

РЕЗУЛЬТАТИ ТА ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНО В ТАКИХ РОБОТАХ

1*. Лев Б. Нематическая емульсия в магнитном поле / Б. Лев, А. Ныч, У. Огныста, Д. Резников, С. Чернышук, В. Назаренко // Письма в ЖЭТФ. - 2002. - Т. 75, № 7. - С. 393-396.

2*. Smalyukh I. I. Ordered Droplet Structures at the Liquid Crystal Surface and Elastic-Capillary Colloidal Interactions / I. I.Smalyukh, S. Chernyshuk, B. I. Lev, A. B. Nych, U. Ognysta, V. G. Nazarenko, and O. D. Lavrentovich // Phys. Rev. Lett. - 2004. - Vol. 93, № 11. - P. 117801.

3*. Skarabot M. Laser trapping of low refractive index colloids in a nematic liquid crystal / M. Skarabot, M. Ravnik, D. Babic, N. Osterman, I. Poberaj, S. Zumer, I. Musevic, A. Nych, U. Ognysta, V. Nazarenko // Phys. Rev. E. - 2006. - Vol. 73, № 2. - P. 021705.

4*. Lev B. Anisotropic laser trapping in nematic colloidal dispersion / B. Lev, A. Nych, U. Ognysta, S.B. Chernyshuk, V. Nazarenko, M. Skarabot, I. Poberaj, D. Babic, N. Osterman, I. Musevic // Eur. Phys. J. E. - 2006. - Vol. 20, № 2. - P. 215-219.

5*. Musevic I. Laser trapping of low refractive index colloidal particles in a nematic liquid crystals / I. Musevic, M. Skarabot, M. Ravnik, I. Poberaj, D. Babic, N. Osterman, A. Nych, U. Ognysta, V. Nazarenko, S. Zumer // Proceedings of SPIE. - 2006. - Vol. 6332. - P. 63320V.

6*. Nych A.B. Coexistence of two colloidal crystals at the nematic liquid crystal-air interface / A.B. Nych, U.M. Ognysta, V.M. Pergamenshchik, B.I. Lev, V.G. Nazarenko, I. Musevic, M. Skarabot and O. Lavrentovich // Phys. Rev. Lett. - 2007. - Vol. 98, № 5. - P. 057801.

7*. Огниста У.М. Взаємодія крапель у нематичні емульсії під впливом зовнішніх полів / У.М. Огниста, А.Б. Нич, В.Г. Назаренко, Б.І. Лев // УФЖ. - 2007. - Т. 52, № 7. - С. 633-638.

8*. Ognysta U. 2D Interactions and Binary Crystals of Dipolar and Quadrupolar Nematic Colloids / U. Ognysta, A. Nych, V. Nazarenko, I. Musevic, M. Skarabot, M. Ravnik, S. Zumer, I. Poberaj, and D. Babic // Phys. Rev. Lett. - 2008. - Vol. 100, № 21. - P.217803.

9*. Lev B. Droplet structure transformation in nematic emulsion under the action of magnetic field / B. Lev, A. Nych, U. Ognysta, D. Reznikov, V. Nazarenko, I. Smalyukh, O.D. Lavrentovich // 19th International Liquid Crystal Conference (ILCC) book of abstracts. - Edinburgh (UK), 2002. - P. P310.

10*. Nazarenko V. Ordered patterns at the free surface of nematic emulsions / V. Nazarenko, I. Smalyuh, S. Chernyshuk, B. Lev, A. Nych, U. Ognysta, O.D. Lavrentovich // 20th International Liquid Crystal Conference (ILCC) book of abstacts. - Ljublyana (Slovenia), 2004. - P. 402.

11*. Nazarenko V. Coexistence of hexagonal and dense quasi-hexagonal colloid lattices at the nematic-air interface / V. Nazarenko, U. M. Ognysta, A. Nych, V. M. Pergamenshchik, B. I. Lev, M. Skarabot, I. Musevic, I. Smalyukh, and O. D. Lavrentovich // 21th International Liquid Crystal Conference (ILCC) abstracts. - Keystone (USA), 2006. -P. 395.

12*. Nych A. Coexistence of two colloidal crystals at the nematic liquid crystal-air interface / A. Nych, V. Pergamenshchik, U. Ognysta, B. Lev, V. Nazarenko, M. Skarabot, I. Musevic, O. Lavrentovich // Bulletin of the American Physical Society (APS), 2007. - Vol. 52, № 1. - Access mode MAR07 Meeting Web Bulletin http://meetings.aps.org/link/BAPS.2007.MAR.S30.9

13*. Lev B.I. Collective behavior of colloidal particles in nematic liquid crystals / B.I. Lev, A. Nych, U. Ognysta, V. Pergamenshchik and V. Nazarenko // International Conference ”Modern Problems of Condensed Matter Optics” (MPCMO): conference abstracts. - Kyiv (Ukraine): Naukoviy svit, 2006. - P. 53-54.

Цитована література:

1. Poulin P. Direct Measurement of Colloidal Forces in an Anisotropic Solvent / P. Poulin, V. Cabuil and D.A Weitz // Phys. Rev. Lett. - 1997. - Vol. 79, № 24. - P. 4862-4865.

2. Lubensky T.C. Topological defects and interactions in nematic emulsions / T.C. Lubensky, D. Pettey, N. Currier and H. Stark // Phys. Rev. E. - 1998. - Vol. 57, № 1. - P. 610-625.

АНОТАЦІЯ

У.М. Огниста. “Пружна взаємодія колоїдних частинок у нематичних рідких кристалах”. - Рукопис

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.15 - фізика молекулярних та рідких кристалів. Інститут фізики Національної Академії Наук України, Київ, 2008.

У дисертації досліджувались поведінка сферичних частинок мікронного розміру в нематичних колоїдних системах і їхня взаємодія через пружне поле директора. Вивчено взаємодію колоїдних частинок з локально деформованим оптичним пінцетом полем директора. Показано, що у випадку частинок з дипольною симетрією поля директора пружна взаємодія має кулонівський характер.

Досліджено впорядковані колоїдні системи на поверхні нематичної плівки і вплив на них зовнiшнiх (електричного та магнітного) полів, а також визначено характер i величину парної пружної взаємодії частинок.

Експериментально встановлено характер пружної взаємодії між колоїдними частинками з дипольною і квадрупольною симетрією поля директора в нематичному рідкому кристалі, визначено величину цієї взаємодії і вперше побудовано двовимірні колоїдні періодичні структури на її основі.

Ключові слова: нематичний рідкий кристал, розподіл директора, колоїдна система, оптичний пінцет, лазерне захоплення.

АННОТАЦИЯ

У.М. Огнистая. “Упругое взаимодействие коллоидных частиц в нематическом жидком кристалле” - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.15 - физика молекулярных и жидких кристаллов. Институт физики Национальной Академии Наук Украины, Киев, 2008.

В диссертации исследовалось поведение сферических частиц микронного размера в нематических коллоидных системах и их взаимодействие через упругое поле директора. Изучено взаимодействие коллоидных частиц и локально деформированного оптическим пинцетом полем директора. Показано, что в случае частиц с дипольной симметрией поля директора упругое взаимодействие имеет кулоновский характер.

Исследованы упорядоченные коллоидные системы на поверхности нематической пленки и влияние на них внешних (электрического и магнитного полей), а также определены характер и величина парного упругого взаимодействия частиц.

Экспериментально установлен характер упругого взаимодействия между коллоидными частицами с дипольной и квадрупольной симметрией поля директора в нематическом жидком кристалле, определена величина этого взаимодействия и впервые построены двумерные коллоидные периодические структуры на ее основе.

Ключевые слова: нематический жидкий кристалл, поле директора, коллоидная система, оптический пинцет, лазерный захват.

SUMMARY

U.M. Ognysta. “The elastic interaction of colloidal particles in nematic liquid crystals”. - Manuscript

Thesis for a Physics and Mathematics candidate's degree on the speciality 01.04.15 - Molecular and Liquid Crystal Physics, Institute of Physics, National Academy of Sciences, Ukraine, Kyiv, 2008.

The thesis deals with behavior and interaction through director distortions of micron-sized spherical particles in nematic colloidal systems. Investigation of laser trapping of small colloidal particles in a nematic liquid crystal, where the index of refraction of colloids is smaller compared to the indices of the liquid crystal, was performed. Above the optical Frйedericksz transition threshold, the optical trapping is accompanied by the elasticity-mediated interaction between the optically distorted region of a liquid crystal and the colloid. It was experimentally observed that particles with quadrupolar symmetry of director field have the symmetrical star-like trajectories while attracting to the laser-distorted region. And trapping trajectories of dipolar colloidal particles are highly anisotropic and “spider-like”. Experiments demonstrate two opposite directions in which the dipolar particle is attracted to and repelled from the nematic region deformed by the laser light. The interaction between a dipolar colloidal particle and a focused laser beam in a nematic liquid crystal reveals an unusual anisotropic Coulomb-like character (~1/r, where r particle-trap separation). An analysis of such behavior along with theoretical and experimental recovering of interaction energy between colloidal particle and deformed director field are presented.

Also elastic interaction and behavior of droplets in nematic emulsions at the free surface of a liquid crystal were investigated. Ordered one-dimensional and two-dimensional colloidal structures of the droplets were obtained for different conditions. Namely, in the system of glycerol droplets trapped at the nematic surface under the action of external electric and magnetic fields, induced mutual transformations of a hexagonal structure into linear chains were experimentally observed. The mechanisms, through which the external fields affect interaction between the particles, have been reported. With help of external magnetic and electrical fields, it was shown that a pairwise elastic interaction between two separate droplets on the liquid crystal surface has dipolar character (1/r³).

The results of investigations of the elastic interaction between the dipolar and quadrupolar colloidal particles in the nematic liquid crystal are reported. It was shown that the particles with such different symmetry can coexist at the cell thickness a little above diameter of the colloids. A single pair of dipolar and quadrupolar particles found to have three equilibrium configurations. The trajectories of dipolar particle, which approaches the quadrupolar one are explored. The dipolar-quadrupolar interaction is highly anisotropic and shows a power-law dependence (1/r⁴) when the particles approach each other along the director field. It was demonstrated that the symmetry of the elastic interaction between the dipolar and quadrupolar colloidal particles in the nematic liquid crystal leads to a novel variety of two-dimensional nematic “binary” colloidal crystals, which have not been observed in any colloidal system before. A lot of the mixed dipolar-quadrupolar colloidal periodical structures built with help of optical tweezers with different packing factor and unit cells are presented.

Keywords: nematic liquid crystal, director field, colloidal system, optical tweezers, laser trapping

Размещено на Allbest.ru