[論文レビュー] Ferroelectric nematic liquid crystal thermo-motor

Marcell Tibor Máthé, Ágnes Buka+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2022

Liquid Crystal Research Advancements参考文献 35被引用数 61

ひとこと要約

本論文は、鉛酸化物性ネマチック液体結晶ドロップレット上でのトレーサー粒子の熱勾配駆動型円運動を示しており、これがピロエレクトリシティおよび接線方向のフェロエレクトリック分極によって駆動される。回転は、垂直方向の温度勾配が半径方向の電荷分離を誘発し、粒子に力を及ぼす接線方向の電場を生成することによって生じる。その結果、乱流を伴わず安定した層流的で渦状の流れが発生する。

ABSTRACT

A thermal gradient-induced circular motion of particles placed on ferroelectric nematic liquid crystal sessile drops is demonstrated and explained. Unlike hurricanes and tornadoes that are the prime examples for thermal motors and where turbulent flows are apparent, here the texture without tracer particles appears completely steady indicating laminar flow. We provide a simple model showing that the tangential arrangement of the ferroelectric polarization combined with the vertical thermal gradient and the pyroelectricity of the fluid drives the rotation of the tracer particles that become electrically charged in the fluid. These observations provide a fascinating example of the unique nature of fluid ferroelectric liquid crystals.

研究の動機と目的

• 熱勾配下におけるフェロエレクトリックネマチック液体結晶ドロップレット内での自発的円運動の発生を調査すること。
• 乱流を伴わない層流的で渦状の流れを示すトレーサー粒子の物理的メカニズムを特定すること。
• ピロエレクトリシティおよび自発分極が粒子運動を駆動する電場を生成する役割を解明すること。
• 外部電場がトポロジカル欠陥の核心位置および流れの方向反転に与える影響を検討すること。

提案手法

• ホットステージを用いて制御された熱勾配を印けた静止滴状のRM734フェロエレクトリックネマチック液体結晶を用いた。
• 配向子の配向状態と粒子運動を可視化するために偏光顕微鏡および共焦点顕微鏡を用いた。
• 空間的分布としての配向子および光学遅延のマップを取得するために可変液体結晶遅延器を適用した。
• ポアソン方程式を用いて系をモデル化し、 charged 粒子に作用する電場力と粘性抗力との力のバランスを解析した。
• 粒子の角速度を測定し、ピロエレクトリック係数、温度勾配、分極の大きさと関連づけた。
• 面内および垂直方向のDC電場を印けて欠陥位置および流れの方向を制御した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 熱勾配下におけるフェロエレクトリックネマチックドロップレット上での粒子の円運動を駆動する物理的メカニズムは何か？
• RQ2 ハリケーンと同様に熱勾配によって駆動されるにもかかわらず、なぜ流れは乱流ではなく層流的なのか？
• RQ3 自発分極の接線方向配置が接線方向電場を生成するにあたって果たす役割は何か？
• RQ4 イオン不純物は電荷分離および粒子帯電にどのような役割を果たすのか？
• RQ5 外部電場を用いてトポロジカル欠陥の位置および流れの方向を制御可能か？

主な発見

• 8 µmの直径を有するトレーサー粒子は、131°Cのフェロエレクトリックネマチック相で安定した時計回りの円運動を示した。
• 粒子の角速度は実験的に約0.16 s⁻¹で測定され、理論的推定値と一致した。
• 47 µmのドロップレットにおける相転移温度差から、垂直方向の温度勾配が23 mK/µmであると推定された。
• 欠陥コアは面内電場に対して45°の角度でずれており、その方向は電場の極性および流れのヘリシティに依存した。
• 垂直方向のDC電場を印けると、偶発的に回転方向が反転した。これはピロエレクトリックの束縛電荷の符号切り替えを示唆した。
• 大径ドロップレット（1.4 mm）では、欠陥線が円運動を示し、配向子の連続的回転を伴わない静止した回転流が観察された。