[논문 리뷰] Ferroelectric nematic liquid crystal thermo-motor

Marcell Tibor Máthé, Ágnes Buka외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 19.

Liquid Crystal Research Advancements참고 문헌 35인용 수 61

한 줄 요약

이 논문은 페로일렉트릭 나치드 액정 방울에서 피로전기성과 접선 방향의 페로일렉트릭 극화에 의해 유도된 열기울기 기반 원형 운동을 보이는 트레이서 입자의 운동을 설명한다. 이 운동은 수직 온도 기울기가 반경 방향 전하 분리와 입자에 힘을 작용시키는 접선 전기장 유도를 통해 발생하며, 난류 없이 안정적이고 레이놀즈 수가 낮은 라미나르 소용리류 흐름을 형성한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 열기울기 하에서 페로일렉트릭 나치드 액정 방울에서 자발적인 원형 유동의 발생을 조사하기 위해.
• 난류 없이 안정적인 소용리류 형태의 입자 운동을 유도하는 물리적 메커니즘을 규명하기 위해.
• 입자 운동을 유도하는 전기장을 생성하는 피로전기성과 자발 극화의 역할을 탐색하기 위해.
• 외부 전기장이 결함 핵의 위치와 유동 방향 전환에 미치는 영향을 조사하기 위해.

제안 방법

• 열기울기를 제어하기 위해 핫 스테이지와 함께 세션드 방울에 RM734 페로일렉트릭 나치드 액정을 사용하였다.
• 배향 구조의 정렬 상태와 입자 운동을 시각화하기 위해 투과형 및 공형 광학 현미경을 활용하였다.
• 배향 분포와 광학적 기립도의 공간 분포를 매핑하기 위해 조절 가능한 액정 기립도기를 적용하였다.
• 전기력과 점성 저항력 간의 힘 평형을 고려하여 파oisson 방정식을 사용해 시스템을 모델링하였다.
• 입자의 각속도를 측정하고, 피로전기 계수, 온도 기울기, 극화 강도와의 관계를 분석하였다.
• 평면 내 및 수직 방향의 일정 전압 전기장을 적용하여 결함 위치와 유동 방향을 제어하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 열기울기 하에서 페로일렉트릭 나치드 방울 표면의 입자 원형 운동을 이끄는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 hurrican과 유사하게 열기울기로 유도되는 흐름임에도 불구하고, 왜 난류가 아닌 라미나르 흐름이 발생하는가?
• RQ3 자발 극화의 접선 배열이 접선 방향 전기장을 어떻게 생성하는가?
• RQ4 이온 오염물질은 전하 분리와 입자 극화에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 외부 전기장은 결함의 위치와 방향을 제어할 수 있으며, 이는 유동 방향 제어로 이어지는가?

주요 결과

• 8 µm의 지름을 가진 트레이서 입자는 페로일렉트릭 나치드 상에서 131°C에서 안정적인 시계방향 원형 운동을 보였다.
• 입자의 각속도는 실험적으로 약 0.16 s⁻¹로 측정되었으며, 이는 이론적 추정치와 일치하였다.
• 47 µm의 방울에서 상전이 온도의 차이를 바탕으로 수직 온도 기울기 23 mK/µm를 유추하였다.
• 결함 핵은 평행 전기장에 대해 45° 각도로 이격되었으며, 방향은 전기장 극성과 유동의 나선형 성격에 따라 달라졌다.
• 수직 일정 전압 전기를 적용함으로써 유동 방향이 가끔 전환되었으며, 이는 피로전기 경계 전하의 부호가 전환되었음을 시사한다.
• 큰 방울(1.4 mm 지름)에서는 결함 선이 원형 운동을 보이며, 이는 지속적인 배향 회전 없이 정적 회전 유동을 나타낸다.