Новости ⟩ Библиотека ⟩ Исследование топологических дефектов в жидких кристаллах с помощью муар-структур
Исследование топологических дефектов в жидких кристаллах с помощью муар-структур
Введение
В феврале 2024 года в журнале Nature Communications было опубликовано исследование, в котором предложен и экспериментально реализован новый подход к управлению топологическими структурами в нематических жидких кристаллах.
В этом обзоре мы обсудим результаты и перспективы предложенного метода, а также преимущества его реализации с использованием систем JCOPTIX.
Статья “Moiré effect enables versatile design of topological defects in nematic liquid crystals” демонстрирует, как использование эффекта Муара в специально сконструированных жидкокристаллических ячейках позволяет формировать регулярные, устойчивые и управляемые топологические дефекты.
В этом обзоре мы обсудим результаты и перспективы предложенного метода, а также преимущества его реализации с использованием систем JCOPTIX.
Статья “Moiré effect enables versatile design of topological defects in nematic liquid crystals” демонстрирует, как использование эффекта Муара в специально сконструированных жидкокристаллических ячейках позволяет формировать регулярные, устойчивые и управляемые топологические дефекты.
Оптический эффект Муара часто проявляется и в повседневной жизни при наложении друг на друга растров (например, сеток или решеток) близкого периода, это явление сопровождается появлением специфических упорядоченных узоров. С этим эффектом мы чаще всего сталкиваемся при фотографировании дисплеев или мелких сеток. Однако в науке эффект Муара получил применение при анализе деформаций, в метрологических технологиях, в биомедицинских устройствах сверхразрешающей визуализации и прочих высокотехнологичных направлениях.
Китайскими исследователями была выдвинута и впоследствии подтверждена гипотеза о том, что эффект Муара может также служить альтернативным методом проектирования мезоскопической структуры материалов.
Авторы работы использовали две подложки с идентичными периодическими фотоориентированными шаблонами. При незначительном повороте одной из подложек относительно другой (на угол Ψ) между ними возникал характерный муар-рисунок, формирующий сложные распределения ориентации молекул в объеме жидкого кристалла. Это приводило к появлению “дефектных линий” — прямых, искривленных, замкнутых или пространственно распределённых. Тип дефектов определяется углом поворота и толщиной (зазором) жидкокристаллических ячеек.
Затем ученые использовали “дефектные линии”, возникающие в жидкокристаллических элементах, для управления самосборкой коллоидных частиц.
Авторы работы использовали две подложки с идентичными периодическими фотоориентированными шаблонами. При незначительном повороте одной из подложек относительно другой (на угол Ψ) между ними возникал характерный муар-рисунок, формирующий сложные распределения ориентации молекул в объеме жидкого кристалла. Это приводило к появлению “дефектных линий” — прямых, искривленных, замкнутых или пространственно распределённых. Тип дефектов определяется углом поворота и толщиной (зазором) жидкокристаллических ячеек.
Затем ученые использовали “дефектные линии”, возникающие в жидкокристаллических элементах, для управления самосборкой коллоидных частиц.
Визуализация и наблюдаемые структуры
В статье представлены три характерных состояния структур в зависимости от взаимной пространственной конфигурации жидкокристаллических ячеек, зазора между ними и типа формируемых Муар-узоров:
- S-состояние характеризует прямые дефектные линии при малом зазоре жидкокристаллической ячейки;
- C-состояние - волнообразные или спиральные линии при среднем зазоре;
- W-состояние - двухуровневая пространственная сеть дефектов при большом зазоре.
(A) Схема системы:
(C-E) Моделирование дефектных структур (цвет соответствует углу β) при Ψ=12°:
(C) H/L=0.3 (S-состояние)
(D) H/L=0.7 (C-состояние)
(E) H/L=0.9 (W-состояние), где 1-я группа дефектов - у верхней поверхности, 2-я группа - у нижней поверхности
(F) Диаграмма состояний дефектов в зависимости от H/L и Ψ:
- Верхняя подложка (розовая) повернута на угол Ψ
- Нижняя подложка (зеленая) фиксирована
- Короткие стержни обозначают ориентацию поверхности
- Геометрический период паттерна - L
(C-E) Моделирование дефектных структур (цвет соответствует углу β) при Ψ=12°:
(C) H/L=0.3 (S-состояние)
(D) H/L=0.7 (C-состояние)
(E) H/L=0.9 (W-состояние), где 1-я группа дефектов - у верхней поверхности, 2-я группа - у нижней поверхности
(F) Диаграмма состояний дефектов в зависимости от H/L и Ψ:
- Синяя пунктирная линия: Ψ=12°
- Красная пунктирная линия: H/L=0.43
Дополнительно продемонстрированы случаи, в которых такие структуры служат направляющими для трёхмерной самоорганизации коллоидных частиц. Частицы выстраиваются вдоль линий дефектов, а при их замыкании могут стабилизировать дефектные петли, препятствуя их исчезновению.
Также авторы разработали и исследовали режимы, в которых дефекты формируют двумерные решётки замкнутых петель (loop defects), меняющие форму и размер в зависимости от толщины ячейки.
Также авторы разработали и исследовали режимы, в которых дефекты формируют двумерные решётки замкнутых петель (loop defects), меняющие форму и размер в зависимости от толщины ячейки.
Генерация дефектов в форме букв с помощью муаровых узоров
Вдохновившись эффектом муаровых узоров, исследователи создали уникальный метод формирования дефектов в жидких кристаллах в виде букв латинского алфавита.
При наложении кругового "раскрывающего" паттерна (revealer pattern, розовый сверху) на Т-образный "документ-паттерн" (document pattern, зеленый снизу) в геометрическом муаре формируется массив увеличенных Т-образных дефектов (синяя пунктирная рамка выделяет один такой элемент). Врезка: схематичное изображение кругового ЖК-паттерна. Этот подход позволяет создавать программируемые топологические структуры с контролируемой геометрией.
Использование оптического пинцета JCOPTIX в исследовании топологических дефектов в жидких кристаллах
В оригинальной работе использовался лазерный сканирующий конфокальный микроскоп, а также оптический пинцет из состава системы JCOPTIX INSCOPE.
Оптический пинцет JCOPTIX использовался для:
Особую ценность система продемонстрировала при работе в анизотропной среде жидких кристаллов, обеспечивая стабильный захват частиц благодаря возможности точной регулировки мощности лазера.
Оптический пинцет JCOPTIX использовался для:
- Точечного захвата и перемещения отдельных коллоидных частиц
- Позиционирования частиц в заданных точках жидкокристаллической ячейки
- Исследования взаимодействия частиц с топологическими дефектами
Особую ценность система продемонстрировала при работе в анизотропной среде жидких кристаллов, обеспечивая стабильный захват частиц благодаря возможности точной регулировки мощности лазера.
Перспективы
Предложенный в статье метод позволяет управлять структурой жидкокристаллических элементов с высокой степенью точности, используя простую операцию — поворот подложки. Это делает подход универсальным для задач, где требуется точное формирование топологической структуры среды: от управляемой самоорганизации и микромеханики до разработки фотонных компонентов, оптических меток и адаптивных материалов.
Система JCOPTIX INSCOPE может быть использована для воспроизведения этих процессов в рамках исследовательских и учебных задач, а также для создания новых протоколов работы с жидкими кристаллами, коллоидами и топологическими структурами.
Делитесь опытом использования JCOPTIX в своих проектах!
Система JCOPTIX INSCOPE может быть использована для воспроизведения этих процессов в рамках исследовательских и учебных задач, а также для создания новых протоколов работы с жидкими кристаллами, коллоидами и топологическими структурами.
Делитесь опытом использования JCOPTIX в своих проектах!
На нашем сайте доступны к заказу Лабораторные и комплекты Многофункциональный модульный микроскоп INSCOPE и Стандартная система оптического пинцета.