[论文解读] 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 61

一句话总结

该论文展示了在铁电向列液晶液滴上，由热梯度驱动的示踪粒子环形运动，其驱动力源于热电效应与切向铁电极化。旋转由垂直温度梯度引起径向电荷分离，并产生切向电场，对带电粒子施加作用力，从而形成层流、稳定的涡旋状流动，无湍流现象。

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.

研究动机与目标

• 研究在热梯度作用下，铁电向列液晶液滴中自发环流的产生机制。
• 确定无湍流的层流、涡旋状粒子运动背后的物理机制。
• 探讨热电效应与自发极化在产生驱动粒子运动的电场中的作用。
• 研究外加电场对拓扑缺陷核心位置及流动方向反转的影响。

提出的方法

• 使用RM734铁电向列液晶，在悬滴状态下通过加热台控制热梯度。
• 采用偏光显微镜与共聚焦显微镜观察取向序和粒子运动。
• 应用可调液晶延迟器，测绘取向序与光学延迟的空间分布。
• 利用泊松方程建模系统，并分析带电粒子上电场力与黏性阻力之间的力平衡。
• 测量粒子的角速度，并将其与热电系数、温度梯度及极化强度关联。
• 施加面内与垂直方向的直流电场，以调控缺陷位置与流动方向。

实验结果

研究问题

• RQ1 在热梯度作用下，铁电向列液滴上粒子环形运动的物理机制是什么？
• RQ2 尽管热梯度与飓风类似，为何流动为层流而非湍流？
• RQ3 自发极化的切向排列如何促进切向电场的产生？
• RQ4 离子杂质在电荷分离与粒子带电过程中起什么作用？
• RQ5 外加电场能否控制拓扑缺陷的位置与流动方向，从而实现流动调控？

主要发现

• 直径为8 µm的示踪粒子在131°C的铁电向列相中表现出稳定的顺时针环形运动。
• 实验测得粒子的角速度约为0.16 s⁻¹，与理论估算值一致。
• 根据47 µm液滴上相变温度差推断出垂直温度梯度为23 mK/µm。
• 缺陷核心相对于所施加的面内电场呈45°角偏移，方向取决于电场极性与流动手性。
• 施加垂直直流电场偶尔可反转流动方向，表明热电束缚电荷符号发生切换。
• 在大液滴（1.4 mm直径）中，缺陷线表现出环形运动，表明存在无持续取向旋转的稳定旋转流。