Топологические особенности в тактоидной нематической фазе

Цель исследования. Иллюстрация роли точечных поверхностных топологических дефектов в нематиках в фазовых переходах на примере неорганических золей пятиокиси ванадия в воде V2O5/H2O.

Методы. На основе измерений поляризационной оптической микроскопии и теоретически в рамках модели Ландау – де Жена и модели дефектов Киббла – Журека оценивается влияние точечных топологических особенностей на поверхности нематических коллоидов лиотропных жидких кристаллов, в частности неорганических золей системы V2O5/H2O, на их критические термодинамические, электрические, оптические, упругие и механические свойства. Для системы V2O5/H2O анализируются разработанные модели нематических коллоидных фаз с нетривиальной топологией, состоящих из веретенообразных частиц, в которых классифицируются их топологические дефекты; рассматриваются геометрические параметры нематических частиц в динамике и эволюции в зависимости от физико-химических условий, критерии устойчивости фаз, условия слияния частиц, в том числе при воздействии внешнего магнитного поля, а также экспериментальные наблюдения, подтверждающие предложенные теории и модели.

Результаты. С учетом режима коалесценции оценен критический размер коллоидной частицы системы V2O5/H2O ~ 10 нм в направлении длинной оси, при котором величина магнитной энергии равна сумме упругой и поверхностной энергии коллоидной частицы.

Заключение. Подтверждается, что необходимым условием коалесценции частиц золей системы V2O5/H2O в магнитном поле является аннигиляция точечных топологических дефектов на их полюсах, установлен геометрический критерий коалесценции частиц в магнитном поле на основе различных теорий их поверхностных дефектов.

1. Соломатин А. С., Беляев В. В. Ориентационные и оптические свойства сферических доменов жидкого кристалла с центральной ориентирующей и внешней неориентирующей поверхностью // Вестник МГОУ. Серия: Физика-математика. 2016. № 4. С. 32–42. https://doi.org/10.18384/2310-7251-2016-4-32-42.

2. Optical properties of composite heterophase objects with liquid crystal material for different display applications / V. V. Belyaev, A. S. Solomatin, D. N. Chausov, D. A. Suarez, A. G. Smirnov, J. D. Kuleshova // Journal of the Society for Information Display. 2017. P. 1–7. https://doi.org/10.1002/jsid.606.

3. Belyaev V., Gorbunov A., Solomatin A., Suarez D. Light propagation through composite heterophase objects with liquid crystal material // Procedia Computer Science. 2017. Vol. 103. P. 556–561.

4. Sonin A. S. Inorganic lyotropic liquid crystals // J. Mater. Chem. 1998. Vol. 8. P. 2557–2574.

5. Казначеев А. В., Богданов М. М., Сонин А. С. Влияние энергии сцепления на вытянутую форму тактоидов в лиотропных неорганических жидких кристаллах // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 2003. Т. 124, вып. 6(12). С. 1298–1307.

6. Казначеев А. В., Богданов М. М., Тараскин С. А. О природе вытянутой формы тактоидов в лиотропных неорганических жидких кристаллах // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 2002. Т. 122, вып. 1. С. 68–75.

7. Prinsen P., van der Schoot P. Shape and director-field transformation of tactoids // Phys. Rev. E. 2003. Vol. 68. P. 021701-1–021701-11.

8. Prinsen P., van der Schoot P. Continuous director-field transformation of nematic tactoids // Eur. Phys. J. E. 2004. Vol. 13. P. 35–41. https://doi.org/10.1140/epje/e2004-00038-y.

9. Prinsen P., van der Schoot P. Parity breaking in nematic tactoids // J. Phys: Cond. Matter. 2005. Vol. 16. P. 8835–8850. https://doi.org/10.1088/0953-8984/16/49/003.

10. Kleman M., Lavrentovich O. D. Topological point defects in nematic liquid crystals. Philosophical Magazine. 2006. Vol. 86, no. 25–26. P. 4117–4137. https://doi.org/10.1080/14786430600593016.

11. Golovaty D., Kim Y.-K., Lavrentovich O. D., Novack M., Sternberg P. Phase transitions in nematics: textures with tactoids and disclinations // Mathematical Modeling of Natural Phenomena. 2020. Vol. 15. P. 8-1–8-21. https://doi.org/10.1051/mmnp/2019034.

12. Defects in liquid crystals: computer simulations, theory and experiments / ed. O. D. Lavrentovich, P. Pasini, C. Zannoni, S. Zumer. Kluwer Academic Publisher, 2001. 344 p.

13. Монастырский М. И. Топология калибровочных полей и конденсированных сред. М.: ПАИМС, 1995. 478 с.

14. Mermin D. E Pluribus Boojum: the physicist as neologist // Physics today. 1981. April. P. 46–53.

15. Volovik G. E., Lavrentovich O. D. Topological dynamics of defects: boojums in nematic drops // Sov. Phys. JETP. 1983. Vol. 58(6). P. 1159–1166.

16. Воловик Г. Е. Топологические особенности на поверхности упорядоченной системы // Письма в ЖЭТФ. 1978. Т. 28. С. 65–68.

17. Volovik G. E., Mineev V. P. Current in superfluid Fermi liquids and the structure of vortex cores. // Sov. Phys. JETP. 1982. Vol. 83. P. 1025–1037.

18. Kurik M. V., Lavrentovich O. D. Monopole structures and shape of drops of smectics-C // Sov. Phys. JETP. 1983. Vol. 58 (2). P. 299–307.

19. Williams R. D. Two transitions in tangentially anchored nematic droplets // J. Phys. A: Math. Gen. 1986. Vol. 19. P. 3211–3222.

20. El’nikova L. V. Elastic properties of vanadium pentoxide aggregates and topological defects // J. of Superconductivity and Novel Magnetism. 2008. Vol. 21. P. 473–478.

21. Balachandran A. P., Lizzi F., Rodgers V. G. J. Topological symmetry breakdown in cholesterics, Nematics, and 3He. // Phys. Rev. Lett. 1994. Vol. 52. P. 1818–1821.

22. Komineas S. Rotating vortex dipoles in ferromagnets // Phys. Rev. Lett. 2007. Vol. 99. P. 117202–1-117202-4.

23. Bates M. A. Computer simulation studies of nematic liquid crystal tactoids // Chem. Phys. Lett. 2003. Vol. 368. P. 87–93.

24. Bates M. A., Skacej G., Zannoni C. Defects and ordering in nematic coatings on uniaxial and biaxial colloids // Soft Matter. 2010. Vol. 6. Р. 655–663. https://doi.org/10.1039/b917180k.

25. Kim Y.-K., Shiyanovsky S. V., Lavrentovich O. D. Morphogenesis of defects and tactoids during isotropic–nematic phase transition in self-assembled lyotropic chromonic liquid crystals // J. Phys.: Cond. Matt. 2013. Vol. 25. P. 404202-1–404202-19.

26. Dierking I., Al-Zangana S. Lyotropic Liquid Crystal Phases from Anisotropic // Nanomaterials. 2017. Vol. 7. P. 305-1–305-28. https://doi.org/10.3390/nano7100305.