[論文レビュー] Liquid Crystal Foams: Formation and Coarsening

Mark Buchanan|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2002

Pickering emulsions and particle stabilization被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、8CBから作られた純粋な液体結晶フォームにおける粗大化を調査した。泡の成長は、古典的かつ湿ったフォームの t^1/3 行動とは著しく異なる、λ≈0.20 のべき乗則 ⟨R⟩∼t^λ に従う。この遅い成長率は、ネマチックおよびスメクチック相における欠陥駆動の表面張力効果に起因し、泡の表面における弾性歪みに起因する新たな t^1/5 スケーリングが示唆される。

ABSTRACT

Coarsening in foams made from the pure liquid crystal, 8CB, has been studied. The foam was made in the nematic phase ($ extrm{T} = 35 ^{\circ} extrm{C}$) by bubbling nitrogen through the pure liquid crystal. The coarsening behavior was investigated at three temperatures; at $ extrm{T} = 22 ^{\circ} extrm{C}$ and $33^{\circ} extrm{C}$ in the smectic phase and at $ extrm{T} = 34^{\circ} extrm{C}$ in the nematic phase. In smectic and nematic phases the mean bubble radius $$ has been measured as a function of time $ \sim t^λ$. In classical wet soap foams the growth exponent is typically $λ\approx 0.33$ where coarsening is by gas diffusion from bubbles with high curvature to bubbles with low curvature. In liquid crystal foams a growth exponent, $λ= 0.20 \pm 0.05$ is observed. This may be explained by the presence of defects at the surface of the bubbles which slow down the coarsening behaviour. This growth exponent can be observed in both nematic and smectic phases. At higher temperatures typically $>35^{\circ} extrm{C}$ coalescence dominates the coarsening behaviour. In the isotropic state, $>41.5^{\circ} extrm{C}$, the foam is rapidly unstable.

研究の動機と目的

• 界面活性剤や溶媒を含まない、熱的転移性液体結晶からなるフォームにおける粗大化ダイナミクスを調査すること。
• 界面活性剤の欠如と液体結晶の弾性の存在が、湿った soapy foams で観察される古典的粗大化指数 λ にどのように影響するかを特定すること。
• 泡の表面におけるトポロジカル欠陥と弾性歪みが表面エネルギーをどのように変化させ、粗大化を遅くするかを調査すること。
• 8CB のネマチック相とスメクチック相における粗大化行動を比較し、同様に同相転移に伴い急激な融合が支配的になる高温相への遷移を検討すること。

提案手法

• 35 °C（ネマチック相）でガラスセル内に純粋な8CB液体結晶に窒素をバブルさせることでフォームを生成し、その後22 °C、33 °C（スメクチック相）、34 °C（ネマチック相）に温度を均衡化させて測定を実施した。
• 時間分解画像顕微鏡法を用いて、ガラスセル表面での泡のサイズ変化を追跡し、2次元の泡サイズ分布を補正して3次元平均半径 ⟨R⟩ を推定した。
• 平均泡半径 ⟨R⟩ は調和平均の式 ⟨R⟩ = N / (∑ r_i⁻¹) を用いて計算され、ここで r_i は i 番目の泡の半径を表す。
• ⟨R⟩ と時間 t の対数プロットから、⟨R⟩ ∼ t^λ に適合するように、成長指数 λ を決定した。
• 急速加熱と回復法を用いて液体体積分率 φ_l を推定し、フォーム生成直後は φ_l ≈ 0.40、実験終了時には φ_l ≈ 0.34 であった。
• 理論的モデリングでは、フィックの法則に従うガス拡散と、欠陥-表面相互作用に起因する表面張力の変化 σ ∝ 1/R² を組み込み、予測される t^1/5 スケーリングに至った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 純粋な液体結晶フォームにおける粗大化指数 λ は何か？ そして、古典的湿ったフォームの挙動と比較するとどうなるか？
• RQ2 泡の表面におけるトポロジカル欠陥が、表面エネルギーおよび粗大化キネティクスにどのように影響するか？
• RQ3 8CB のネマチック相とスメクチック相における粗大化挙動は異なるか？
• RQ4 35 °C 以上の温度でなぜ融合が拡散駆動の粗大化を上回るのか？
• RQ5 観察された λ ≈ 0.20 は、欠陥駆動の R 依存表面張力が t^1/5 スケーリング則をもたらすものとして説明可能か？

主な発見

• スメクチック相（22 °C および 33 °C）およびネマチック相（34 °C）の両方で、粗大化指数 λ は 0.20 ± 0.05 に測定され、湿ったフォームの古典的 t^1/3 スケーリングとは著しく遅い。
• 観察された λ ≈ 0.20 は、t^1/5 スケーリング則と整合的であり、σ ∝ 1/R² のように R に依存する欠陥誘発表面張力の変化が粗大化を遅くしていることを示唆する。
• 高温相（>41.5 °C）では、フォームの不安定性と急速な融合が支配的となり、λ ≈ 1 であるため、拡散制御から融合支配へのダイナミクスの遷移が示された。
• 粗大化の過程で液体体積分率は φ_l ≈ 0.40 から 0.34 に減少したが、これは排水を示唆している。一方、膜厚は概ね一定のままであった。
• 泡の表面に存在するエッジ不純度や焦点的円錐欠陥などの欠陥が、R に依存する表面張力の原因であると提案され、異常な粗大化指数の説明がなされた。
• 本研究は、液体結晶系における表面欠陥に起因する弾性歪みがもたらす t^1/5 粗大化則の実験的観察を初めて報告した。