[논문 리뷰] Elasticity and Viscosity of a Lyotropic Chromonic Nematic Studied with Dynamic Light Scattering

Yu. A. Nastishin, K. Neupane외 3명|ArXiv.org|2008. 07. 16.

Visual perception and processing mechanisms인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 동적 빛산산법을 사용하여 라이토피크 크로모닉 네마틱 액정(DSCG)에서 온도에 따라 변화하는 탄성 계수와 점성 계수를 처음으로 실험적으로 측정하였다. 이는 열에 의한 크로모닉 군집의 단축화로 인해 굽힘 및 스플레이 탄성 계수에 이례적인 온도 의존성이 나타나며, 굽힘 점성은 스플레이 및 비틀림 점성보다 약 3개 정도 낮아 흐름에 대한 강한 이방성을 나타낸다.

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.

연구 동기 및 목표

• 라이토피크 크로모닉 네마틱(DSCG)의 온도 의존적 탄성 계수와 점성 계수를 처음으로 측정하기 위해.
• 자기 조립된 크로모닉 군집의 구조적 동역학이 매크로스코픽 탄성 및 점성 거동에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 변동하는 군집 길이가 탄성 계수의 이례적인 온도 의존성 결정에 미치는 역할를 이해하기 위해.
• 굽힘 기하학에서 예상치 못한 제2의 비탄성 리아케이션 모드의 기원을 탐색하기 위해, 이는 군집 내부의 상대 운동과 관련이 있을 수 있다.

제안 방법

• 16 µm 두께의 14 wt% DSCG 수용액에서 동적 빛산산법을 사용하여 정렬된 파동의 변동을 측정하였다.
• 나노초 디지털 상관기기를 사용하여 산란된 빛 강도의 동일한 상관 함수를 기록하여 리아케이션 속도와 강도를 추출하였다.
• 이중 지수 피팅 및 정규화 방법을 적용하여 다중 리아케이션 모드를 해석하였으며, 특히 굽힘 기하학에서 이전에 할당되지 않은 모드를 식별하였다.
• 유리 기판에 버프드 SE-7511 고분자 층을 사용하여 네마틱 정렬자를 정렬하여 평면 균일성을 확보하였다.
• 유체역학 이론을 사용하여 스플레이, 비틀림 및 굽힘 기하학에서 리아케이션 속도의 q² 의존성을 분석하여 탄성 계수를 추출하였다.
• 점성 계수는 리아케이션 속도를 이용하여 아이작스타인-스토크스 관계로 계산하였으며, 내부 슬라이딩 과정에서의 효과적 유체역학적 저항 보정을 적용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 라이토피크 크로모닉 네마틱의 탄성 계수(K₁, K₂, K₃)는 온도에 따라 어떻게 변화하며, 그 이례적인 행동의 원인은 무엇인가?
• RQ2 왜 이 시스템에서 굽힘 점성(η_bend)은 스플레이 및 비틀림 점성보다 약 3개 정도 낮아지는가?
• RQ3 굽힘 기하학에서 관찰된 추가적인 약한 리아케이션 모드(A₄, Γ₄)는 표준 스플레이 또는 비틀림 변동에 할당되지 않는데, 그 물리적 기원은 무엇인가?
• RQ4 크로모닉 군집의 온도 의존적 단축화가 네마틱 상의 탄성 및 점성 반응에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ5 군집 내 분자 간 내부 슬라이딩이 굽힘 유연성과 점성 이방성에 기여하는 정도는 어느 정도인가?

주요 결과

• 굽힘 탄성 계수 K₃와 스플레이 계수 K₁은 비틀림 계수 K₂보다 약 10배 정도 크며, K₃/K₁ 비율은 온도가 상승함에 따라 이례적으로 증가한다.
• K₃/K₁ 비율의 이례적 증가는 크로모닉 군집의 열적 단축화로 인해 그 유지 길이가 감소하고 탄성 반응이 변화하기 때문으로 기인된다.
• 굽힘 점성 η_bend는 스플레이 및 비틀림 점성보다 약 3개 정도 낮아 흐름에 대한 극도로 높은 이방성을 나타낸다.
• η_twist/η_bend 비율은 294 K에서 약 1600에서 300 K에서 약 450으로 감소하여, 고온에서 군집 단축화가 비틀림 점성에 더 크게 영향을 미친다는 것을 시사한다.
• 굽힘 기하학에서 관찰된 추가 모드(A₄, Γ₄)는 수소 동역학 직경 3.2 nm(또는 효과적 점성 보정 후 1.6 nm)을 가지며, 짧은 군집 또는 분자 클러스터의 내부 슬라이딩과 일치한다.
• 이 모드는 DSCG 분자가 군집 내에서 횡방향으로 슬라이딩하는 데 기인할 가능성이 높으며, 막대형 네마틱 시스템과는 다를 새로운 굽힘 유연성 메커니즘을 제공한다.