Mikrofluidični nadzor topoloških stanj v toku nematskih tekočih kristalov

Datum objave: 19. 1. 2021
V žarišču
V sodelovanju med Fakulteto za matematiko in fiziko, Medicinsko fakulteto in Inštitutom Jožefa Stefana so raziskovalci Simon Čopar, Žiga Kos, Tadej Emeršič in Uroš Tkalec odkrili in teoretično pojasnili fazne prehode v kiralno topološko stanje tekočega kristala v mikrofluidičnem toku. Članek, objavljen januarja v reviji Nature Communications, je bil uvrščen tudi med 10 najodmevnejših dosežkov Univerze v Ljubljani v letu 2020.
Mikrofluidični nadzor topoloških stanj v toku nematskih tekočih kristalov
Slika: Eksperimentalna oprema za vzpostavitev in analizo neravnovesnih stanj v nematskem tekočem kristalu in vzorec z mikrofluidičnim kanalčkom. Posebej so izpostavljena kiralna topološka stanja, ki jih najenostavneje prepoznamo v polarizirani svetlobi. Avtor slike: Uroš Tkalec.

Orientacijski red v tekočih kristalih ima ključen vpliv na izjemne optične lastnosti teh anizotropnih tekočin. V statičnem stanju znamo s kombinacijo različno obdelanih površin, spreminjanjem temperature, ter z vplivom električnih polj, tekoče kristale prisiliti v različne konfiguracije z različnimi optičnimi lastnostmi. Kadar pa tekoči kristali tečejo po mikrofluidičnih kanalčkih, pride do izraza tudi njihov neobičajen reološki odziv. V raziskavi so bili kanalčki površinsko obdelani tako, da se v odsotnosti toka molekule tekočega kristala postavijo pravokotno na ravnino kanalčka. Hitrost toka po kanalih pa je bilo mogoče nadzorovati z zelo natančnim regulatorjem tlaka in dodatno manipulirati z izbiro oblike kanalov. Že dolgo je znano, da se pri dovolj močnem tlaku tekoči kristali v takih mikrokanalih uredijo vzdolž smeri toka. Ta prehod je topološke narave, prepoznaven po topološkem defektu, ki ga pod mikroskopom vidimo kot ostro mejo med obema stanjema.

V omenjeni raziskavi je z zelo natančno kontrolo hitrosti toka dr. Tadej Emeršič, nekdanji mladi raziskovalec na Medicinski fakulteti, pod mentorstvom dr. Uroša Tkalca, opazil in stabiliziral prej neopaženo kiralno stanje, ki ga opazimo preden pride do prehoda v s tokom poravnano stanje. Novo stanje je značilno po tem, da obstaja v levo-sučni in desno-sučni različici, kljub temu, da so sami gradniki tekočega kristala zrcalno simetrični. Prehod med običajnim pravokotno poravnanim stanjem in novim stanjem je drugega reda in poteče zvezno, pod mikroskopom pa ga vidimo kot značilno pasovno spreminjanje barv.

Avtorja dr. Simon Čopar in dr. Žiga Kos s Fakultete za matematiko in fiziko sta postavila teoretični model zaporedja faznih prehodov med topološko različnimi stanji v tlačno gnanem tekočem kristalu. S fenomenološkim model in pripadajočo numerično simulacijo, ki temelji na anizotropiji elastičnih konstant, je bil smiselno dopolnjen tudi fazni diagram vseh možnih hidrodinamskih stanj, kar omogoča boljše razumevanje in nadzor nad stanji v mikrofluidiki tekočih kristalov. Delo, ki sloni na izkušnjah desetletnega obdobja raziskav na področju nematofluidike, obeta aplikativno rabo teh konceptov tudi v liotropnih in aktivnih tekočinah z nematskim redom.

Raziskava je naletela na velik odmev v strokovni javnosti, saj je dr. Tkalec o tem predaval na University of Chicago, ESPCI Paris, Johns Hopkins University in Gordon Research Conference v ZDA. Na povabilo urednikov je bil članek poljudno predstavljen na spletnem portalu Nature Research Device and Materials Engineering Community in dodatno promoviran na Instagram profilu Nature Research. Poseben strokovni prispevek o teh dognanjih je v rubriki Microfluidic Reviews objavil tudi francoski proizvajalec raziskovalne opreme Elveflow. Dosežek je nenazadnje pripomogel k temu, da sta soavtorja članka lahko nadaljevala svoje podoktorske raziskave na prestižni univerzi MIT oziroma na ugledni Pritzker School of Molecular Engineering na University of Chicago.

Članek, objavljen januarja v reviji Nature Communications, je bil uvrščen tudi med 10 najodmevnejših dosežkov Univerze v Ljubljani v letu 2020.

Vir: ČOPAR, Simon, KOS, Žiga, EMERŠIČ, Tadej, TKALEC, Uroš. Microfluidic control over topological states in channel-confined nematic flows. Nature communications, ISSN 2041-1723, Jan. 2020, vol. 11, art. no. 59: https://www.nature.com/articles/s41467-019-13789-9.