Dokument: Liquid crystalline structures of colloidal rods in mesoscopic droplets

Titel:	Liquid crystalline structures of colloidal rods in mesoscopic droplets
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=33364
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20150217-101528-1
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Jia, Yunfei [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 3,58 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 10.02.2015 / geändert 10.02.2015
Beitragende:	Dr Lettinga, Pavlik [Gutachter] Prof. Dr. Egelhaaf, Stefan [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	Das Ziel dieser Arbeit ist es den Effekt räumlicher Begrenzung auf die Struktur des nematischen Direktor-Feldes kolloidaler Flüssigkristalle zu untersuchen. In unserer Arbeit haben wir einen lyotropischen Flüssigkristall, der aus Stäbchenartigen Viren, fd-Viren besteht, untersucht. Auf Grund der Länge der einzelnen Teilchen, die in der Größenordnung von 1mm liegt, können einzelne Teilchen visuell sichtbar gemacht und räumliche Begrenzungen erzeugt werden, die in der selben Größenordnung liegen. Wir benutzen zwei Ansätze, um die räumlichen Begrenzungen zu erzeugen: In Kapitel 4 verwenden wir feste Geometrien, die mit Hilfe von soft litography erzeugt werden. In Kapitel 5 hingegen erzeugen wir deformierbare mesoskopische Tröpfchen mit festem Volumen. Im ersten Teil dieser Arbeit fokussieren wir uns auf die Produktion stabiler Tröpfchen, welche eine Voraussetzung für unsere folgenden Untersuchungen sind. Im zweiten Kapitel, diskutieren wir die Technik, um monodisperse mesoskopische Wassertröpfchen in Öl mit Hilfe mikorofluidischer Geräte zu erzeugen. Die kinetische Stabilität der Emulsions-Tröpfchen, welche stark von der effektiven Ausdehnung des Moleküls abhängt, wurde quantitativ untersucht. Es findet ein Masse-Transfer von der dispersen-Phase zur kontinuierlichen statt, falls ein Übermaß an Tensid vorhanden ist. Wir beobachteten ein Knospungsphänomen bei dem die kleinen Satelliten-Tröpfchen an der Tröpfchenoberfläche gebildet werden, wodurch die Molekülfläche pro Tensid weiter reduziert wird. Schließlich haben wir das passende Tensid in Kombination mit dem Träger-Öl für die weitere Arbeit in Kapitel 5 ausgewählt. Im dritten Kapitel haben wir eine alternative Methode zur Stabilisierung von Wasser in Öl Tröpfchen untersucht. Dazu verwendeten wir Pickering-Emulsionen, die mit Hilfe von fluorierten Latex-Kern-Schale Teilchen stabilisiert wurden. Es hat sich herausgestellt, dass diese Teilchen, welche omniphob sind, extrem effizient darin sind, Wasser in Öl zu stabilisieren. Wir haben mit Hilfe konfokaler Mikroskopie herausgefunden, dass diese Effizienz in der Stabilisierung der Teilchen in einem Mechanismus begründet liegt, bei dem nur wenige Teilchen benötigt werden, um stabile Brücken zwischen den Tröpfchen zu bilden. Wir präsentieren ein experimentelles Phasendiagram einer drei-komponentigen Emulsion, bei dem der Übergang der Emulsions-Stabilität abgebildet wurde. Bevor wir zur Untersuchung der Struktur der nematischen Phase mikrofluidisch hergestellte Tröpfchen diskutieren, haben wir in Kapitel 4 soft litography verwendet, um die nematische Phase von fd-Viren in zweidimensionalen Mikro-Kammern einzuschließen. Diese Kammern waren wenige Mikrometer hoch und dementsprechend sehr viel kleiner als die "cholesterische Neigung"der Teilchen.Wir haben spindelartige Kammern produziert, um im zweidimensionalen die Form von Tactoids, den nematischen Tröpfchen, die sich während einem isotropisch-nematischen Phasenübergang formen, zu imitieren. Durch eine sythematische Variation der Größe sowie des Aspektverälntnisses konnten wir für dreidimensionale Tactoids vorhergesagte, aber auch neue Konfigurationen finden. Der Übergang zwischen den Unterschieldichen Zuständen, wie im Phasendiagram vorgestellt, wird im Zusammenhang mit neueren Simulationen diskutiert. Die Konfiguration des Direktor-Feldes der chiral nematischen Flüssiggkristall-Phase (LC) in dreidimensionaler räumlicher Beschränkung wurde in Kapitel 5 untersucht. Zur Produktion monodisperser Tröpfchen haben wir Mikrofluidik verwendet. Die Tröpfchen enthalten die nematische Dispersion der fd-Viren umschlossen von einer Träger Öl Phase. Sowohl die Größe der Tröpfchen als auch die Konzentration der Viren wurde variiert. Mit Hilfe von polarization microscopy konnten wir zeigen, dass die Form der Teilchen im untersuchten Größenbereich immer sphärisch war. Wir beobachteten in den Polarisationsbildern eine sich mit zunehmender Größe sowie Konzentration deutlicher herausbildende Ringstruktur, welche wir mit einem cholesterischen Twist des Direktor-Feldes assoziieren.Wir konnten auf Basis der Einzel-Teilchen Daten einen Twist verifizieren, wenn auch auf nicht triviale Weise. Der Twist findet nicht monoton innerhalb des Tröpfchens statt und ist viel schwächer als im Bulk. Dementsprechend unterdrückt räumliche Begrenzung den cholesterischen Twist. In Kapitel 6 diskutieren wir das große Potenzial der fd-Tröpfchen für zukünftige Forschungsvorhaben. Wir zeigen, dass die Tröpfchen reversibel auf magnetische Felder antworten, sowie dass die Struktur sich vereinigender Tröpfchen verzerrt wird. Zudem kann das Schrumpfen der Tröpfchen auf Grund des Massentransfers einen nematisch-smektischen Phasenübergang sowie die Deformation des Tröpfchens induzieren. The aim of this thesis is to investigate the effect of the confinement on the structure of the nematic director-field of colloidal liquid crystals. The experimental system we used in our study was a lyotropic liquid crystal consisting of rod-like viruses, the fd virus. Due to the length of the particle, which is of the order of 1 mm, individual particles can be imaged and confinements can be produced which approach the same length scale. We will use two approaches to produce the confinements: in chapter 4 we used fixed geometries made by soft lithography while in chapter 5 we produce deformable mesoscopic droplets with fixed volume. In the first part of the thesis we focus on producing stable droplets, which is a prerequisite for our final goal. In chapter 2, which is a technical chapter, we produced monodisperse mesoscopic water-in-oil droplets using microfluidic techniques. The kinetic stability of the emulsion droplets was quantitatively studied, which strongly relies on the effective molecular area occupied by a surfactant molecule. The mass transfer from the dispersed phase to the continuous phase takes place, in case of an excess of surfactant. We observed a budding phenomenon in which the small satellite droplets were formed at the droplet surface, thus further reducing the molecular area per surfactant. We selected the proper surfactant in combination with the carrier oil for later work in chapter 5. In chapter 3, we studied an alternative technique of stabilizing water-in-oil droplets using Pickering emulsions stabilized by fluorinated latex-core-shell particles. These particles, which are omniphobic, appeared to be extremely efficient in stabilizing water-in-oil droplets. We found that the efficiency of particle stabilization was due to a mechanism where only few particles were needed to form very stable bridges between two droplets, as we observed using confocal microscopy. An experimental phase diagram of three component emulsion system was presented, in which the transition of emulsion stability was mapped. Prior to the use of microfluidic droplets to study the three-dimensional structure of the nematic phase, we used in chapter 4 soft lithography to confine the nematic phase of fd virus in two-dimensional microchambers. The height of these chambers was a few microns, much smaller than the "cholesteric pitch" of the particles. We manufactured spindlelike chambers, mimicking in 2-D the shape of tactoids, the nematic droplets that form during isotropic-nematic phase separation. By systematically varying the size and the aspect ratio of the chambers we found configurations predicted for 3-D tactoids as well as novel configurations.The transitions between the different states, as presented in diagram of states, were discussed in view of recent simulations. The director-field configuration of the chiral nematic liquid crystal (LC) phase in three-dimensional confinement was studied in chapter 5. We employed microfluidics to produce monodisperse droplets containing the nematic dispersions of fd virus surrounded by a carrier oil phase, and varied the size of the droplet as well as the concentration of the virus. We observed that the shape was always spherical in the size range studied, using polarization microscopy. We found a ring structure evolving in the polarization images with increasing size and concentration which we attribute to a cholesteric twist of the director-field. We confirm, using the single particle data, that indeed such a twist is present, however, in a non-trivial way. The twist is non-monotonous throughout the droplet and much less then observed in bulk. Thus, confinement suppresses the cholesteric twist. Chapter 6 is an exploratory chapter in which we demonstrate the potential of the fd droplets for future investigations. We show the reversible response of the droplets to the magnetic field and the distorted structure of merging droplets. Moreover, the droplet shrinkage due to the mass transfer can cause nematic-smectic phase transition as well as the deformation of the droplet.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik
Dokument erstellt am:	17.02.2015
Dateien geändert am:	17.02.2015
Promotionsantrag am:	04.12.2014
Datum der Promotion:	05.02.2015