Влияние поверхности на развитие и динамику коалесценции капель в оптических ячейках при фазовом переходе изотропная жидкость–жидкий кристалл

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

В работе представлены результаты исследований слияния капель нематического жидкого кристалла в окружении изотропной жидкости. С помощью оптической микроскопии высокого разрешения и высокоскоростной видеорегистрации изучено слияние капель в тонких оптических ячейках. Использованы ячейки с планарными и с гомеотропными граничными условиями для единичного вектора преимущественной ориентации (директора) жидкого кристалла. Показано, что в зависимости от граничных условий на поверхности ячейки процесс слияния на начальном этапе развивается по-разному. В ячейке с планарными граничными условиями на начальном этапе наблюдали линейную зависимость ширины перешейка между каплями от времени. На последующих этапах влияние поверхностей приводит к более медленной динамике. Заключительный этап слияния характеризуется экспоненциальной релаксацией капли к равновесной форме. При слиянии капель, диаметр которых превышает толщину ячейки, наблюдали промежуточный этап со степенной зависимостью ширины перешейка от времени. Длительность этого этапа увеличивается с увеличением размера капель. Определены капиллярная скорость и характерные времена на различных этапах слияния капель. Характерные времена для начального этапа увеличиваются линейно с увеличением размера капель. Для среднего этапа характерные времена увеличиваются пропорционально кубу радиуса капель.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

П. В. Долганов

Институт физики твердого тела им. Ю.А. Осипьяна Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: pauldol@issp.ac.ru
Россия, Московская область, Черноголовка, 142432

Н. А. Спириденко

Институт физики твердого тела им. Ю.А. Осипьяна Российской академии наук

Email: pauldol@issp.ac.ru
Россия, Московская область, Черноголовка, 142432

В. К. Долганов

Институт физики твердого тела им. Ю.А. Осипьяна Российской академии наук

Email: pauldol@issp.ac.ru
Россия, Московская область, Черноголовка, 142432

Список литературы

  1. Frenkel J. // J. Phys. (Moscow). 1945. V. 9. P. 385.
  2. Hopper R.W. // J. Am. Ceram. Soc. 1984. V. 67. P. 262. https://www.doi.org/10.1111/j.1151-2916.1984.tb19692.x
  3. Menchaca-Rocha A., Martinez-Davalos A., Nunez R., Popinet S., Zaleski S. // Phys. Rev. E. 2021. V. 63. P. 046309. https://www.doi.org/10.1103/PhysRevE.63.046309
  4. Wu M., Cubaud T., Ho C.H. // Phys. Fluids. 2004. V. 16. P. L51. https://www.doi.org/10.1063/1.1756928
  5. Aarts D.G.A.L., Lekkerkerker H.N.W., Guo G.H., Wegdam D.B. // Phys. Rev. Lett. 2005. V. 95. P. 164503. https://www.doi.org/10.1103/PhysRevLett.95.164503
  6. Yao W., Maris H.J., Pennington P., Seidel G.M. // Phys. Rev. E. 2005. V. 71. P. 016309. https://www.doi.org/10.1103/PhysRevE.71.016309
  7. Case S.C., Nagel R.S. // Phys. Rev. Lett. 2008. V. 100. P. 084503. https://www.doi.org/10.1103/PhysRevLett.100.084503
  8. Paulsen J.D., Burton J.C., Nagel S.R. // Phys. Rev. Lett. 2011. V. 106. P. 114501. https://www.doi.org/10.1103/PhysRevLett.106.114501
  9. Paulsen J.D., Carmigniani R., Kannan A., Burton J.C., Nagel S.R. // Nat. Commun. 2014. V. 5. P. 3182. https://www.doi.org/10.1038/ncomms4182
  10. Rahman M., Lee W., Iyer A., Williams S.J. // Phys. Fluids. 2019. V. 31. P. 012104. https://www.doi.org/10.1063/1.5064706
  11. Shuravin N.S., Dolganov P.V., Dolganov V.K. // Phys. Rev. E. 2019. V. 99. P. 062702. рttps://www.doi.org/10.1103/PhysRevE.99.062702
  12. Nguyen Z.H., Harth K., Goldfain A.M., Park C.S., Maclennan J.E., Glaser M.A., Clark N.A. // Phys. Rev. Res. 2021. V. 3. P. 033143. https://www.doi.org/10.1103/PhysRevResearch. 3.033143
  13. Klopp C., Eremin A. // Langmuir. 2020. V. 36. P. 10615. https://www.doi.org/10.1021/acs.langmuir.0c02139
  14. Delabre U., Cazabat A.M. // Phys. Rev. Lett. 2010. V. 104. P. 227801. https://www.doi.org/10.1103/PhysRevLett.104.227801
  15. Hack A.M., Tewes W., Xie Q., Datt C., Harth K., Harting J., Snoeijer J.H. // Phys. Rev. Lett. 2020. V. 124. P. 194502. https://www.doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.194502
  16. Ryu S., Zhang H., Anuta U.J. // Micromachines. 2023. V. 14. P. 2046. https://www.doi.org/10.3390/mi14112046
  17. Beaty E., Lister J.R. // J. Fluid Mech. 2024. V. 984. P. A77. https://www.doi.org/10.1017/jfm.2024.295
  18. Eggers J., Sprittles J.E., Snoeijer J.H. // Annual Review of Fluid Mechanics. 2024. V. 57. https://www.doi.org/10.1146/annurev-fluid-121021044919
  19. Yokota M., Okumura K. // PNAS 2011. V. 108. P. 6395. https://www.doi.org/10.1073/pnas1017112108
  20. Oswald P., Poy G. // Phys. Rev. E. 2015. V. 92. P. 062512. https://www.doi.org/10.1103/PhysRevE.92.062512
  21. Dolganov P.V., Zverev A.S., Baklanova K.D., Dolganov V.K. // Phys. Rev. E. 2021. V. 104. P. 014702. https://www.doi.org/10.1103/PhysRevE.104.014702
  22. Долганов П.В., Зверев А.С., Спириденко Н.А., Бакланова К.Д., Долганов В.К. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2022. № 8. C. 30.
  23. Dolganov P.V., Spiridenko N.A., Zverev A.S. // Phys. Rev. E. 2024. V. 109. P. 014702. https://www.doi.org/ 10.1103/PhysRevE.109.014702
  24. Долганов П.В., Спириденко Н.А., Долганов В.К., Кац Е.И., Бакланова К.Д. // Письма в ЖЭТФ. 2023. Т. 118. С. 118. https://www.doi.org/10.31857/S1234567823140094
  25. Де Жен П.-Ж. Физика жидких кристаллов, пер. с англ. М.: Мир, 1977. 400 с.
  26. Faetti S., Palleschi V. // J. Chem. Phys. 1984. V. 81. P. 6254. https://www.doi.org/10.1063/1.447582
  27. Kim Y.K., Shiyanovskii S.V., Lavrentovich O.D. // J. Phys. Condens. Matter. 2013. V. 25. P. 404202. https://www.doi.org/10.1088/0953-8984/25/40/ 404202
  28. Haputhanthrige N.P., Paladugu S., Lavrentovich M.O., Lavrentovich O.D. // Phys. Rev. E. 2024. V. 109. P. 064703. https://www.doi.org/10.1103/PhysRevE.109.064703
  29. Eggers J. // Rev. Mod. Phys. 1997. V. 69. P. 865. https://www.doi.org/10.1103/RevModPhys.69.865
  30. McKinley G.H., Tripati A. // J. Rheology. 2000. V. 44. P. 653. https://www.doi.org/10.1122/1.551105
  31. Eggers J., Villermaux E. // Rep. Prog. Phys. 2008. V. 71. P. 036601. https://www.doi.org/10.1088/0034-4885/71/3/036601

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схематическое изображение этапов слияния пары круглых капель: капли перед слиянием (а); гантелеобразная капля на начальном этапе слияния (б); эллиптическая капля (в); конечное состояние после релаксации, капля круглой формы (г). Пунктиром показана область перешейка между каплями. W — ширина перешейка (б), трансформирующегося в короткую ось эллиптической капли (в).

Скачать (12KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Участки двух капель нематика (N) в области их контакта и слияния в окружении изотропной жидкости (Iso) при планарных граничных условиях (ячейка 1): капли за 0.01 с до начала слияния (а); образование перешейка между каплями, через 0.01 (б), 0.02 (в) и 0.03 с (г) после начала их слияния. Горизонтальный размер изображений — 20 мкм.

Скачать (16KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Участки двух капель нематика (N) в окружении изотропной жидкости (Iso) при гомеотропных граничных условиях (ячейка 2): капли перед слиянием, видимые границы капель находятся на значительном расстоянии друг от друга (а); капли после начала слияния, расстояние между видимыми границами капель Δ1 остается конечным (б); формирование прослойки изотропной фазы между границами капель, толщина участка изотропной фазы Δ2 с двух сторон от центра уменьшается (в); разрыв участка изотропной фазы с образованием центральной капли и сателлитов (г). Изображения (в) и (г) получены, соответственно, через 0.3 и 0.6 с после (б). Горизонтальный размер изображений — 32 мкм.

Скачать (16KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зависимость от времени величины промежутка между видимыми границами капель Δ1 в ячейке 2 (сплошные символы). Момент t = t0 соответствует разрыву прослойки изотропной фазы. Пустые символы — ширина прослойки в наиболее тонких участках с двух сторон от центра Δ2 (рис. 3в). Скорость уменьшения ширины перед разрывом ~15 мкм/с. Увеличение Δ1 при t — t0 > –0.25 с связано с образованием центральной капли.

Скачать (2KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимость от времени ширины перешейка между сливающимися каплями при планарных (сплошные символы) и гомеотропных (пустые символы) граничных условиях. Радиусы капель 9.3 мкм (1), 15.5 мкм (2), 27.1 мкм (3), 32.8 мкм (4). Пунктирная линия — аппроксимация линейной зависимостью, сплошная линия — степенной зависимостью с показателем 1/5.

Скачать (13KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Характерные времена слияния капель на начальном (точки) и среднем (квадраты) этапах коалесценции при планарных граничных условиях. Сплошная линия — аппроксимация линейной зависимостью τ ~ R, пунктирная линия — зависимостью τS ~ R3.

Скачать (2KB)
Метаданные

© Институт физики твердого тела РАН, Российская академия наук, 2025