[논문 리뷰] Liquid Crystal Foams: Formation and Coarsening

Mark Buchanan|arXiv (Cornell University)|2002. 06. 25.

Pickering emulsions and particle stabilization인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 8CB로 제조된 순수 액정 거품에서 응고 현상에 대해 다루며, 기포 성장은 전통적인 수액 거품에서의 t^1/3 행동과는 현著히 느린 t^λ 법칙 ⟨R⟩∼t^λ (λ≈0.20)을 따르며, 이는 양자성 및 스메크틱 상에서의 결함 유도 표면장력 효과로 기인한다. 이는 기포 표면에서의 탄성 왜곡으로 인해 새로운 t^1/5 스케일링 법칙이 존재할 가능성을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 표면활성제나 용매 없이 순수 열적성 액정으로 구성된 거품에서의 응고 역학을 조사하기 위해.
• 표면활성제의 부재와 액정 탄성의 존재가 수액 비누 거품에서 관찰되는 고전적 응고 지수 λ에 영향을 미치는지 확인하기 위해.
• 기포 표면에서의 위상 결함과 탄성 왜곡이 표면 에너지를 어떻게 수정하고 응고 속도를 저하시키는지 탐구하기 위해.
• 8CB의 정성상과 스메크틱 상에서의 응고 거동을 비교하고, 이sovotropic 상으로의 전이 시 급속한 융합 현상이 발생하는지 조사하기 위해.

제안 방법

• 35 °C에서 유리 세포에 순수 8CB 액정에 질소 기체를 주입하여 거품을 생성한 후, 측정을 위해 22 °C, 33 °C(스메크틱 상), 34 °C(정성상)로 온도를 등온화하였다.
• 시간 경과에 따른 기포 크기 변화를 추적하기 위해 시간 간격 영상 현미경 기법을 사용하였으며, 2차원 기포 크기 분포를 보정하여 3차원 평균 반경 ⟨R⟩를 추정하였다.
• 평균 기포 반경 ⟨R⟩는 조화 평균 공식 ⟨R⟩ = N / (∑ r_i⁻¹)를 사용하여 계산되었으며, 여기서 r_i는 i번째 기포의 반경이다.
• ⟨R⟩와 시간 t의 로그-로그 플롯을 통해 성장 지수 λ를 도출하였으며, ⟨R⟩ ∼ t^λ에 대한 피팅을 실시하였다.
• 액체 체적 분율 φ_l는 급속한 가열 및 복원 방법을 통해 추정되었으며, 거품 생성 직후 φ_l ≈ 0.40, 실험 종료 시 φ_l ≈ 0.34로 도출되었다.
• 이론적 모델링은 피크의 법칙을 통한 기체 확산과, 결함-표면 상호작용으로 인해 σ ∝ 1/R²로 수정된 표면장력에 기반하여, t^1/5 스케일링 법칙 예측을 도출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 순수 액정 거품에서의 응고 지수 λ는 얼마이며, 고전적 수액 거품 행동과 비교해 어떻게 다를까?
• RQ2 기포 표면의 위상 결함이 액정 거품에서 표면 에너지와 응고 동역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 8CB의 정성상과 스메크틱 상에서 응고 거동은 다를까?
• RQ4 35 °C 이상의 온도에서 왜 융합이 확산 기반 응고보다 지배적인가?
• RQ5 관측된 λ ≈ 0.20은 결함 유도, R에 의존하는 표면장력에 의해 t^1/5 스케일링 법칙으로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 스메크틱 상(22 °C 및 33 °C)과 정성상(34 °C)에서 응고 지수 λ는 각각 0.20 ± 0.05로 측정되었으며, 이는 수액 거품의 고전적 t^1/3 스케일링보다 현저히 느린 것으로, 전통적 모델과는 다소 어긋난다.
• 관측된 λ ≈ 0.20는 t^1/5 스케일링 법칙과 일치하며, 이는 표면장력의 결함 기인 변동성(σ ∝ 1/R²)이 응고 속도를 저하시킨다는 것을 시사한다.
• 이sovotropic 상(>41.5 °C)에서는 거품의 불안정성과 급속한 융합이 지배적이며, λ ≈ 1로 나타나 확산 제어에서 융합 지배 동역학으로의 전이가 일어난다.
• 응고 과정 동안 액체 체적 분율은 φ_l ≈ 0.40에서 0.34로 감소하였으며, 이는 배수 현상이 일어났음을 시사하지만, 필름 두께는 약 일정하게 유지되었다.
• 기포 표면의 에지 디스locations나 포커스-콘릭 결함과 같은 결함이 R에 의존하는 표면장력의 원천으로 제안되며, 이는 이례적인 응고 지수를 설명한다.
• 이 연구는 액정 시스템에서 표면 결함에 의한 탄성 왜곡으로 인해 발생하는 t^1/5 응고 법칙의 첫 번째 실험적 관측을 보고한다.