Doktorska disertacija
Nastanek topoloških defektov v tekoče kristalnih sistemih z netrivialno geometrijo
Ogledi: 17 | Prenosi: 8
Povzetek
Doktorsko delo je sestavljeno iz treh delov. V prvem delu se osredotočimo na nastanek
topoloških defektov okoli koloidnih delcev različnih geometrij v tekočem kristalu. Predvsem
preučimo vpliv ekstremnih geometrij, kot je fraktal, na število topoloških defektov.
V ta namen izdelamo votle koloidne prizme različnih ponovitev Kochovega fraktala. Preu
čujemo vpliv fraktalne ponovitve na število topoloških defektov, nastalih ob koloidnem
delcu. Z večanjem fraktalne ponovitve opazimo povečanje števila parov defektov, ki pa
vedno sledi ohranitvi topološkega naboja. Eksperimentalno in s pomočjo numeričnih simulacij
odkrijemo povezavo med geometrijo delca ter skupnim številom parov topoloških
defektov. Nadalje opazujemo vpliv kiralnosti na nastanek topoloških defektov okoli koloidnih
delcev višjih genusov. Opazimo nastanek različnih topoloških stanj, ki postajajo z
večanjem kiralnosti čedalje bolj zapletena. Za analizo teh stanj uporabimo različne optične
mikroskopske metode.
V drugem delu preučujemo toplotne lastnosti tankih plasti tekočega kristala med ohlajanjem
skozi fazni prehod iz izotropne v nematsko fazo. Uporabimo tekoč kristal sam kot
zelo občutljiv termometer, kar nam omogoča meritve temperature tekočega kristala v merilni
celici po laserskem gretju. Med ohlajanjem merimo časovno odvisnost temperature ter
hitrost ohlajanja ob faznem prehodu. Dodatno primerjamo meritve z numeričnimi simulacijami
toplotnih lastnosti. Dosežemo hitrosti ohlajanja do 40 000K=s pri faznem prehodu,
kar omogoča ohlajanje vzorca z začetnih 100 °C do faznega prehoda v manj kot 1 ms.
V tretjem delu razvijemo in uporabimo nano-sekunden nekoherenten osvetljevalni sistem
v kombinaciji s stroboskopskim načinom zajemanja slik za opazovanje nenadnega faznega
prehoda iz izotropne v nematsko fazo. Tako lahko zajemamo slike z nano-sekundno
resolucijo, kar je najmanj šest velikostnih redov hitreje kot v dosedanjih raziskavah. Ker
gre pri faznem prehodu za naključen pojav, lahko opazujemo dogajanje, tako da - poskus
ponavljamo in vsakič zajamemo posamezno sliko, le da med ponovitvami zakasnimo
zajem. Posamezne slike lahko združimo v lm nastanka topoloških defektov po faznem
prehodu. Z uporabo izredno občutljive sCmos kamere opazujemo nastajanje nematskih
domen ob ohlajanju iz izotropne faze. Nadalje razvijemo algoritem, ki nam omogoča spremljanje
nastajanja domen ob ohlajanju iz izotropne faze. Pri tem določamo pozicijo ter
velikost domen v odvisnosti od časa od začetka ohlajanja ter radija grelnega območja. S
pridobljenimi podatki lahko preučujemo napovedi Kibble-Zurkovega mehanizma, ki opisuje
nastajanje nematskih domen v odvisnosti od hitrosti ohlajanja. Dodatno s pomočjo
preučevanja prepustnosti svetlobe skozi vzorec spremljamo pojav, imenovan coarsening
dynamics, ki opisuje združevanje domen in nastajanje nematske faze. Pri tem opazimo
odvisnost časa združevanja domen od debeline celice. Nazadnje združimo podatke meritev
temperature ter meritev lastnosti domen. Opazimo, da pri hitrem ohlajanju izotropno
fazo zaznamo nadaljnjih 500 µs za točko faznega prehoda oziroma 10 °C pod temperaturo
faznega prehoda.
Ključne besede
tekoči kristali nastanek topoloških defektov koloidni delci netrivialna geometrija numerične simulacije