[論文レビュー] Elasticity and Viscosity of a Lyotropic Chromonic Nematic Studied with Dynamic Light Scattering

Yu. A. Nastishin, K. Neupane+3 more|ArXiv.org|Jul 16, 2008

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ひとこと要約

本研究では、動的光散乱を用いて、リトロトロピッククロノニックネマチック液体結晶（DSCG）における温度依存性弾性率および粘性係数の最初の実験的測定が行われた。これは、クロノニック凝集体の熱的短縮に起因する、曲げおよびスプレイ弾性定数の異常な温度依存性を明らかにした。曲げ粘性係数は、スプレイおよびねじれ粘性係数と比較して3桁小さい値を示し、流れに対する抵抗の強い異方性を示している。

ABSTRACT

Using dynamic light scattering, we measure for the first time the temperature-dependent elastic moduli and associated orientational viscosity coefficients of the nematic phase in a self-assembled lyotropic chromonic liquid crystal. The bend K3 and splay K1 moduli are an order of magnitude higher than the twist K2 constant. The ratio K3/K1 shows an anomalous increase with temperature; we attribute this to the shortening of the aggregates as temperature increases. The viscosity coefficients also show a significant anisotropy, as well as a strong temperature dependence; in particular, the bend viscosity is three orders of magnitude smaller than the splay and twist viscosities.

研究の動機と目的

• リトロトロピッククロノニックネマチック（DSCG）の温度依存性弾性率および粘性係数を、初めて測定すること。
• 自己集合するクロノニック凝集体の構造的ダイナミクスが、マクロな弾性および粘性挙動に与える影響を調査すること。
• 変動する凝集体長さが、弾性定数の異常な温度依存性を決定づける役割を理解すること。
• 曲げ幾何学で観察された予期しない二次的緩和モードの起源を解明すること。これは、凝集体内での内部スライディングと関連している可能性がある。

提案手法

• 16 µm 厚さの14 wt% DSCG水溶液において、動的光散乱を用いて、配向フラクチュエーションを測定した。
• ナノ秒デジタル相関器を用いて、散乱光強度のホモダイン相互相関関数を記録し、緩和率および振幅を抽出した。
• 二重指数関数フィッティングおよび正則化手法を相関関数に適用し、複数の緩和モード（特に曲げ幾何学で未割り当てであったモード）を解明した。
• ガラス基板上にバッファドSE-7511高分子層を用いてネマチック配向を整えたことで、平面的均一性を確保した。
• 流体力学理論を用い、スプレイ、ねじれ、曲げ幾何学における緩和率のq²依存性から弾性率を抽出した。
• Einstein-Stokesの関係を用い、緩和率から粘性係数を計算した。内部スライディング過程における有効な流体力学的抵抗の補正を加えた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リトロトロピッククロノニックネマチックの弾性率（K₁, K₂, K₃）は温度にどのように依存するのか。その異常な挙動の原因は何か。
• RQ2 なぜこの系では曲げ粘性係数（η_bend）がスプレイおよびねじれ粘性係数と比べて3桁も小さいのか。
• RQ3 曲げ幾何学で観察された追加の弱い緩和モード（A₄, Γ₄）の物理的起源は何か。これは標準的なスプレイまたはねじれフラクチュエーションに割り当てられない。
• RQ4 温度依存的なクロノニック凝集体の短縮が、ネマチック相の弾性および粘性応答にどのように影響するのか。
• RQ5 凝集体内での分子の内部スライディングは、曲げ柔軟性および粘性異方性にどの程度寄与しているのか。

主な発見

• 曲げ弾性定数K₃とスプレイ定数K₁は、ねじれ定数K₂よりも1桁大きい。K₃/K₁の比は、温度上昇に伴い異常的に増加する。
• K₃/K₁の異常な増加は、クロノニック凝集体の熱的短縮に起因する。これにより、持久長が短縮され、弾性応答が変化する。
• 曲げ粘性係数η_bendは、スプレイおよびねじれ粘性係数と比べて3桁小さい。これは、流れに対する抵抗の極めて強い異方性を示している。
• η_twist/η_bendの比は、294 Kで約1600から300 Kで約450に減少し、高温での凝集体短縮がねじれ粘性係数により顕著に影響していることが示唆された。
• 曲げ幾何学における追加の緩和モード（A₄, Γ₄）の水素的直径は3.2 nm（有効粘性係数補正後は1.6 nm）であり、短い凝集体または分子クラスタ内の内部スライディングと整合的である。
• このモードは、DSCG分子が凝集体内で横方向にスライディングすることに起因すると考えられ、ロッド状ネマチック系とは異なる、新たな曲げ柔軟性のメカニズムを提供する。