液晶界面とトポロジカル欠陥

液晶界面とトポロジカル欠陥
ソフトマター工学研究室
佐々木 裕司
液晶 (Liquid Crystals)
 液体と固体(結晶)の中間状態(相)の一つ. その性質を示す物
質を指すことも多い.
 空間的に完全な規則性がなく、異方性をもっている.
http://www.merck-performancematerials.com/en/display/lc_materials/
lc_materials.html
典型的な相系列(棒状分子の場合)
結晶相
低温側
スメクチック相
(階層構造)
ネマチック相
液体相
高温側
ネマチック相
配向ベクトル
(ダイレクター)
概略的に
アンカリング
水平配向セル
垂直配向セル
基板での境界条件がバルクまで持続
ラビング処理(厳密には水平配向)
界面活性剤による基板装飾
弾性エネルギー
𝐾11
𝑓= (𝛻
2
∙
𝐾22
2
𝒏) +
2
𝒏 ∙ (𝛻 × 𝒏)
𝐾11 = 𝐾22 = 𝐾33 = 𝐾
𝑛𝑥 = cos 𝜃 , 𝑛𝑦 =sin𝜃
𝑛𝑧 =0
1
𝑓= 𝐾
2
𝜃=
𝛻𝜃
2
−1 𝑦
𝑚 tan
𝑥
+𝐶
2 +𝐾33 (𝒏
2
× 𝛻 × 𝒏)2
トポロジカル欠陥
𝑚 = +1, 𝐶 = 0
𝑚 = +1/2, 𝐶 = 0
𝑚 = −1, 𝐶 = 0
𝑚 = −1/2, 𝐶 = 0
実験方法
屈折率異方性
∆𝑛 = 𝑛∥ − 𝑛⊥
カメラ
検光子
Analyzer
試料セル
鋭敏色板
偏光子
Polarizer
水平配向での色の見え方
P
A
A
∆𝑛 = 𝑛∥ − 𝑛⊥
P
(本)FUNDAMENTALS OF LIGHT MICROSCOPY
AND ELECTRONIC IMAGING
Douglas B. Murphy, Michael W. Davidson
http://microscopelabo.jp/learn/009/
欠陥の様子
𝑚 = +1, 𝐶 = 0
𝑚 = −1, 𝐶 = 0
𝑚 = +1/2, 𝐶 = 0
𝑚 = −1/2, 𝐶 = 0
簡単な実験
しばらく待つと実際に目で確認できる
(本)The Physics of Liquid Crystals
P. G. De Gennes, J. Prost
その他のテクスチャー例
電場の効果(フレデリクス転移)
誘電異方性
∆𝜖 = 𝜀∥ − 𝜀⊥
1
𝑓𝑒 = − 𝜀0 ∆𝜖 𝒏 ∙ 𝑬
2
𝑑
𝐹=
0
𝑓 + 𝑓𝑒 𝑑𝑧
𝑛𝑥 = cos 𝜃
𝑛𝑦 = 0
𝑛𝑧 = 𝑠𝑖𝑛 𝜃
2
𝜋
𝐾
𝐸𝑐 =
𝑑 𝜀0 ∆𝜀
𝑓は先ほどの変形による弾性エネルギー
液晶中でのコロイド粒子
P. Poulin et al., Science (1997) 275,1770
粒子周りの欠陥
粒子の表面で垂直配向
水平配向セル
実際の写真
2R=2.47μm
弾性的な相互作用とコロイド鎖
2R=2.47μm (写真の粒子)
コロイド鎖形成の様子
当日は動画
線欠陥
水平配向処理
交流電気泳動
𝑬 = 𝑬𝟎 𝒄𝒐𝒔(𝟐𝝅𝒇)
𝒗 ∝ 𝑬𝟐
E
ヤヌス粒子で
液晶中のコロイドで
S. Gangwal et al.,
Phys. Rev. Lett., 2008, 100, 058302
O. D. Lavrentovich et al., Nature, 2010, 467, 947
O. D. Lavrentovich, Soft Matter, 2014, 10, 1264
液晶電気対流
∆𝝐 = 𝜺∥ − 𝜺⊥ < 𝟎
のとき
R. Williams,
J. Chem. Phys. (1963) 39, 384
S. Rasenat, et al., Exp. Fluids (1989) 7, 412
Williams domains と呼ばれる
縞模様
粒子の運動について
単一粒子の場合
当日は動画
鎖状の粒子の芋虫運動
当日は動画
他の液晶の場合
当日は動画
コロイド鎖をつかった貨物輸送
ガラスロッド
油滴(シリコンオイル)
当日は動画
共焦点顕微鏡によるxz断面での動き
単一粒子の場合
当日は動画
コロイド鎖の場合
当日は動画
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