Wspólnotowy Serwis Informacyjny Badan i Rozwoju - CORDIS

FP7

FREEFLUID Wynik w skrócie

Project ID: 304040
Źródło dofinansowania: FP7-PEOPLE
Kraj: Słowenia

Nanostrukturalne płyny miękkiej materii

Przy pomocy światła, uwięzienia i pól zewnętrznych możliwe jest teraz formowanie różnych miękkich materiałów o niezwykłych topologiach. Korzystający ze wsparcia środków unijnych fizycy wraz ze współpracownikami wygenerowali ostatnio kształty zaczerpnięte ze świata matematyki, takie jak złożone profile przepływu, węzły i złożone parkietaże.
Nanostrukturalne płyny miękkiej materii
Materiały miękkie, w tym polimery, kryształy ciekłe i koloidy nematyczne, są obiecującymi kandydatami w zakresie oddolnej nanotechnologii. Wiele z nich podlega samoorganizacji, tworząc mikro- i nanostruktury o określonym uporządkowaniu i okresowości. Materiały takie posiadają topologie wykraczające poza proste kształty fizyczne i wpływające na właściwości makroskopowe, takie jak reagowanie optyczne, dyfuzja czy reagowanie na pole magnetyczne lub elektryczne. Funkcje te inspirują naukowców do poszukiwania nowych metod tworzenia materiałów o niezwykłych topologiach.

W ramach projektu FREEFLUID (Channelfree liquid crystal microfluidics), finansowanego ze środków UE, naukowcy zademonstrowali kontrolę przepływu złożonych płynów nematycznych i samoorganizację wybranych struktur 3D. W centrum prac znalazły się anizotropowe płyny nematyczne, posiadające zorientowany porządek składających się na nie cząsteczek lub elementów budulcowych, które można dobrać tak, aby uzyskać samoorganizację struktur o różnych funkcjonalnościach. Zespół FREEFLUID, przy bliskiej współpracy z wieloma specjalistami, zaprojektował szereg materiałów do dostrajalnego kształtowania przepływu i dynamicznego modelowania kontrolowanego przez światło ładunku topologicznego, a także struktur płynów, w tym parkietaży Penrose'a złożonych z pięciokątnych kafelków koloidalnych, koloidów splecionych i węzłów polowych.

Naukowcy zademonstrowali przepływ kryształu ciekłego nematycznego w kanalikach mikrocieczowych o prostokątnym przekroju przy pomocy modelowania numerycznego i prac eksperymentalnych. Profil przepływu i profil orientacyjny kryształu ciekłego wykazują trzy odmienne układy słabego, średniego i silnego przepływu przy zmianie ciśnienia napędzającego. Zidentyfikowano je, porównując dane z eksperymentów polaryzacyjnej mikroskopii optycznej oraz rozwiązań numerycznych równań ruchu płynów nematycznych. Ponadto, przepływ mikrocieczowy kryształów ciekłych mógłby być w pełni sterowany od prawej do lewej w prostym mikrokanaliku poprzez stosowanie poprzecznych gradientów temperatury.

Dzięki zastosowaniu w pełni dynamicznego modelowania naukowcy wykazali, że możliwe jest pełne kontrolowanie tworzenia, manipulowania i analizy ładunków topologicznych przypiętych do mikrofibry w krysztale ciekłym nematycznym. Przeciwnie naładowane pary utworzono z wykorzystaniem mechanizmu Kibble'a-Zureka przy pomocy indukowanego laserowego lokalnego obniżenia temperatury w obecności granic łamiących symetrię.

Uzyskano również parkietaże Penrose'a w warstwach kryształów ciekłych nematycznych przy pomocy modelowania numerycznego. Dokładniej mówiąc, powierzchnie cząstek zaprojektowano w taki sposób, aby skutecznie tworzyć potencjały oddziaływań między cząstkami zgodnymi z pięciokątną symetrią quasikrystaliczną parkietaży Penrose'a. Uzyskany parkietaż koloidalny okazał się wspierać także hierarchiczną substytucję pięciokątów pięciokątami o mniejszym rozmiarze, czego efektem są materiały hierarchiczne reagujące na wiele częstotliwości optycznych.

Splecione cząstki koloidalne okazały się oddziaływać z otaczającym je płynem nematycznym. Ewolucję wiązania cząstek i węzłów polowych zaobserwowano, zmieniając kształt cząstek-węzłów w sfery. Pętle związanych defektów zostały połączone ze sobą, a defekty stopniowo ponownie zaplecione. Dzięki miękkości kryształów ciekłych nematycznych możliwe było śledzenie ładunków topologicznych.

Podsumowując, badania przeprowadzone w projekcie FREEFLUID umożliwiły precyzyjne kontrolowanie kształtowania struktur i przepływów płynów w skali mikro- i nano, do czego wykorzystano modelowanie numeryczne i wspólne eksperymenty. Efekty tych prac otwierają drogę do stworzenia funkcjonalnych materiałów miękkich o niespotykanych wcześniej właściwościach, mogących znaleźć zastosowanie w optyce, fotonice i biotechnologii.

Powiązane informacje

Słowa kluczowe

Materiały miękkie, kryształy ciekłe, nanostruktury, FREEFLUID, parkietaż Penrose’a, topologia, samoorganizacja, kształtujące przepływ
Numer rekordu: 190869 / Ostatnia aktualizacja: 2017-01-17