[论文解读] Liquid Crystal Foams: Formation and Coarsening

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

Pickering emulsions and particle stabilization被引用 3

一句话总结

本研究调查了由8CB组成的纯液晶泡沫中的粗化行为，其中气泡生长遵循幂律 ⟨R⟩∼t^λ，且λ≈0.20，显著慢于湿泡沫中的经典t^1/3行为。生长速率降低归因于向列相和层列相中缺陷介导的表面张力效应，表明由于气泡表面的弹性畸变，可能存在一种新型的t^1/5标度律。

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.

研究动机与目标

• 调查仅由热致液晶组成的泡沫中的粗化动力学，不使用表面活性剂或溶剂。
• 确定由于缺乏表面活性剂以及液晶弹性的存在，是否改变了湿肥皂泡沫中观察到的经典粗化指数λ。
• 探讨气泡表面的拓扑缺陷和弹性畸变在改变表面能并减缓粗化过程中的作用。
• 比较8CB在向列相和层列相中的粗化行为，并研究向各向同性相转变时快速聚并现象。

提出的方法

• 在35 °C（向列相）下，通过氮气气泡穿过纯8CB液晶的玻璃池中生成泡沫，随后将温度平衡至22 °C、33 °C（层列相）和34 °C（向列相）以进行测量。
• 使用延时视频显微技术追踪玻璃池表面气泡尺寸的演化，通过2D气泡尺寸分布的校正估算3D平均半径⟨R⟩。
• 平均气泡半径⟨R⟩使用调和平均公式⟨R⟩ = N / (∑ r_i⁻¹) 计算，其中r_i为第i个气泡的半径。
• 通过⟨R⟩与时间t的对数-对数图拟合⟨R⟩ ∼ t^λ，确定生长指数λ。
• 通过快速加热与恢复法估算液相体积分数φ_l，得到泡沫形成后立即φ_l ≈ 0.40，实验结束时φ_l ≈ 0.34。
• 理论建模考虑了通过菲克定律的气体扩散，以及由于缺陷-表面相互作用导致的表面张力σ ∝ 1/R²的修正，预测了t^1/5的标度律。

实验结果

研究问题

• RQ1 在纯液晶泡沫中，粗化指数λ是多少，与经典湿泡沫行为相比有何不同？
• RQ2 气泡表面的拓扑缺陷如何影响表面能和液晶泡沫中的粗化动力学？
• RQ3 8CB的向列相和层列相中的粗化行为是否存在差异？
• RQ4 为何在35 °C以上的温度下，聚并占主导地位而非扩散驱动的粗化？
• RQ5 观测到的λ ≈ 0.20是否可由缺陷介导的、与R相关的表面张力导致的t^1/5标度律来解释？

主要发现

• 在层列相（22 °C和33 °C）和向列相（34 °C）中，粗化指数λ均测得为0.20 ± 0.05，显著慢于湿泡沫的t^1/3经典标度律。
• 观测到的λ ≈ 0.20与t^1/5标度律一致，表明缺陷诱导的表面张力变化（σ ∝ 1/R²）减缓了粗化过程。
• 在各向同性相（>41.5 °C）中，泡沫不稳定且快速聚并占主导，λ ≈ 1，表明粗化机制从扩散控制转变为聚并主导。
• 液相体积分数从φ_l ≈ 0.40降至0.34，表明存在排水现象，但薄膜厚度保持近似恒定。
• 气泡表面的缺陷（如刃位错或焦点锥缺陷）被提出为R相关表面张力的来源，解释了异常的粗化指数。
• 这是首次在泡沫中实验观测到t^1/5的粗化标度律，归因于液晶体系中表面缺陷引起的弹性畸变。