 |
Interfacial topology of anisotropic soft matter
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
121019 |
| Type |
PD |
| Principal investigator |
Salamon, Péter |
| Title in Hungarian |
Anizotrop lágy anyagok felületi topológiája |
| Title in English |
Interfacial topology of anisotropic soft matter |
| Keywords in Hungarian |
anizotrop lágy anyagok, folyadékkristályok, topológikus hibahelyek |
| Keywords in English |
anisotropic soft matter, liquid crystals, topological defects |
| Discipline |
| Physics (Council of Physical Sciences) | 100 % | | Ortelius classification: Soft matter and polymer physics |
|
| Panel |
Physics 1 |
| Department or equivalent |
Complex Fluids Department (Wigner Research Centre for Physics) |
| Participants |
Éber, Nándor
|
| Starting date |
2016-12-01 |
| Closing date |
2019-11-30 |
| Funding (in million HUF) |
15.087 |
| FTE (full time equivalent) |
2.40 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A pályázat folyadékokkal, gázokkal határolt anizotrop lágy anyagok topológiájával kapcsolatos jelenségek átfogó vizsgálatát és megértését tűzi ki célul. A legegyszerűbb modellrendszert, nematikus folyadékkristályokat használva, célunk, hogy kísérletileg meghatározzuk a lokális szimmetriatengely, a direktor felületi orientációját. A projekt első fő feladata egy újfajta, automatizált mikroszkopikus képalkotó rendszer megalkotása, mely feltérképezi egy felületen az optikai anizotrópia nagyságát és irányát polarizációfüggő reflektivitás mérésekkel. Ezt az egyedi, saját készítésű rendszert használva, célunk hogy megadjuk a felületi direktor orientációt, és felfedjük a legfontosabb tényezőket, melyek azt meghatározzák. Szisztematikus méréseket fogunk végezni számos folyadékkristályon, változtatva azok molekulaszerkezetét, hogy kiderítsük melyek a felületi orientációt leginkább befolyásoló anyagi tényezők. Továbbá különböző típusú adalékanyagok hatását is vizsgálni fogjuk. Célunk, hogy átfogó tudást szerezzünk azon fontos következtetések levonásához, melyek biztosítják a felületi direktor orientáció kézben tartását. A kutatásunk második fő célkitűzése, hogy felderítsük és megértsük a folyadékkristályok felszínének topológiai tulajdonságait, a lehetséges orientációs hibahelyeket a felszínen, és ezek függését a felületi direktor orientációtól. A harmadik lényeges cél, hogy külső elektromos/mágneses mezőkkel irányítsuk az egyéb folyadékokkal, gázokkal határolt folyadékkristályok topológiáját, és hogy megértsük azokat a kölcsönhatásokat, amik csak a nem szilárd felületekkel határolt rendszerekre jellemzőek, beleértve a statikus és dinamikus direktor torzulásokkal járó jelenségeket.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Szilárd felületekkel határolt geometriákban az anizotrop lágy anyagok legegyszerűbb típusai, a nematikus folyadékkristályok, jól megalapozott tudományos háttérrel rendelkeznek, ami által ezek az anyagok már nagy hatást értek el, mivel a lapos kijelzők alapjául szolgálnak. Nemrég a tudományos érdeklődés olyan irányba fordult, ahol a nematikusok topológikus defektek keltését lehetővé tevő tulajdonságát helyezik fókuszba, mely objektumok így könnyebben megfigyelhetők, mint a kozmológiában vagy a részecskefizikában. Ezen anyagok lágy és anizotrop természete lehetővé teszi a topológiai objektumok elektromos, mágneses mezőkkel, vagy fénnyel való befolyásolását. A határfeltételek kritikus szerepet játszanak a defektek képződésében. A nem szilárd határfelületű folyadékkristályok tulajdonságai a szilárd felületekkel határoltakéhoz képest sokkal kevésbé ismertek, pedig az előbbi esetben a több szabadsági fok sok érdekességgel kecsegtet. Habár van néhány új, ígéretes alkalmazás, melyek más folyadékokkal érintkező nematikusokat használnak, de csak néhány anyagot alkalmaztak eddig, és a felületi orientációt vezérlő mechanizmusok nagyrészt ismeretlenek. A kísérleti kutatásunk az alábbi kritikus kérdésekre hivatott válaszokat adni: Hogyan orientálódik a direktor más folyadékokkal, gázokkal alkotott határfelületeken? Melyek a legfontosabb tényezők és anyagi paraméterek, és ezek hogy befolyásolják a felületi direktort? Miként hat a felületi direktor a topológiára? Hol helyezkednek el a defektek, és milyen direktormező alakul ki körülöttük? Hogyan készíthető igény szerinti tulajdonságokkal rendelkező defekt? Hogy vezérelhető a topológia külső hatásokkal, és ezt hogyan lehetne hasznosítani?
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A topológiai defektek általános elvek következményei a természetben. Akkor vannak jelen, ha a rendszer egy rendparamétere geometriai kötöttségek miatt nem tud folytonosan változni a térben. A defektmagok szingularitások, ahol a rendszer tulajdonságai minőségileg különbözőek, mint máshol. A pályázatunk célja a topológia vizsgálata anizotrop lágy anyagokban, amik nemcsak a defektek megfigyelésében kínálnak nagy lehetőségeket, hanem azok külső mezőkkel vagy határfeltételekkel történő vezérlésével kapcsolatban is. A topológiai defektek univerzalitása miatt tehát az előre látott eredményeink más, szingularitásokkal foglalkozó területek, pl. kvantum-térelmélet, kozmológia, szilárdtestfizika részéről is általános érdeklődésre tarthatnak igényt.
A más folyadékokkal, gázokkal alkotott határfelületi folyadékkristály orientációra vonatkozó célzott méréseink, és ezt az anyagi állandót befolyásoló kulcstényezők megértése, várhatóan jelentős hatást fog gyakorolni a lágy határokkal rendelkező anizotrop lágy anyagok feltörekvő témájára, mivel az irodalomban hiányzik egy átfogó kísérleti kutatás, ami sokféle folyadékkristályról biztosítana referencia adatokat. A felületi orientáció kvantitatív képalkotására létrehozandó új mikroszkóp technika egy egyedi innováció lesz. A tervezett műszer érteke túlmutat ezen pályázat céljain, mivel a jövőbeli kutatások számára is egy élvonalbeli apparátust biztosítana.
Az előrelátott eredményeink új ötletekhez vezethetnek, és várhatóan előremozdítják azokat az alkalmazásokat, ahol folyadékkristályok más folyadékokkal, gázokkal érintkeznek, vagy ahol topológiai defektek vannak jelen. Ilyenek például: a folyadékkristály-víz felületen direktor reorientációval történő kémiai/bioérzékelés; a defektben csapdázott részecske/makromolekula külső terekkel történő vezérlése; vagy az anizotrop lágy anyagot tartalmazó mikrofluidikai/mikrolaboratóriumi eszközök.
A pályázat résztvevői az egyetlen magyarországi csoport tagjai, mely folyadékkristályok kísérleti vizsgálatával foglalkozik. A tapasztalataink, egyedi kísérleti lehetőségeink, és alapos technikai tudásunk okán azt gondoljuk, hogy sikeresen meg fogjuk állni a helyünket a nemzetközi versenyben.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A topológiai defektek helyi szingularitások a rendezettségben, melyek speciális határfeltételek okán jönnek létre. Univerzálisak a természetben, sok területen (pl. kozmológia, nanofizika, részecskefizika) játszanak kiemelt szerepet. Habár eredetük geometriai, különálló objektumoknak tekinthetők, mert a magjukban a rendszer tulajdonságai minőségileg különböznek a környezethez képest. A defektek beindíthatnak fázisátalakulásokat, vonzhatják/taszíthatják egymást, csapdázhatnak idegen objektumokat. A tudományos érdekességük mellett az alkalmazásokban is fontosak: néhol kerülendők (pl. folyadékkristály kijelzőkben), máshol az alkalmazás rájuk épül: pl. fémek szilárdságnövelésében, ill. néhány új megközelítésben: kristályhibák új típusú fényforrásként, biológiai képalkotásban, vagy spintronikában történő alkalmazásokban. A pályázat fontos előrelépést vázol fel, célozva a topológiai defektek igény szerinti keltését a határfeltételek kézben tartásával, és valós idejű vezérlésüket elektromos/mágneses mezőkkel. A defekteket folyadékkristályokban fogjuk vizsgálni, mivel azok jó megfigyelhetőséget, és a külső hatásokra nagy érzékenységet biztosítanak. Azért, hogy a határfeltételeket kézben tartsuk, az azokat befolyásoló kulcsparamétereket meg kell értenünk. Célunk, hogy kifejlesszünk egy egyedi mikroszkópos technikát a folyadékkristály orientáció mérésére más folyadékokkal, gázokkal alkotott határfelületeken. Majd a már ismert topológiájú defekteket használva, azok elektromos/mágneses mezőkkel történő vezérlését fogjuk vizsgálni a hasznosíthatóságukat várva olyan alkalmazásokban, mint az irányított anyag transzport, kémiai/bioérzékelés és mikrofluidikai/mikrolaboratóriumi eszközök.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The proposed research targets the comprehensive exploration and understanding of phenomena related to the topology of anisotropic soft matter interfacing other fluid media including gases and liquids. Using the simplest model system, nematic liquid crystals, we aim to experimentally determine the interfacial orientation of the local symmetry axis, the director. The first major intention of the project is to create a novel type of automatized microscopic imaging system that maps the orientation and the magnitude of optical anisotropy on a surface, by polarization dependent reflectivity measurements. Applying this planned, unique, custom-made system, we aim to deduce the interfacial director orientation and reveal the main factors that determine it. Systematic measurements will be performed on a number of liquid crystals, varying the molecular structure to reveal the key material properties that influence the interfacial alignment. Additionally, the effect of different types of dopants will be studied. We aim to gather comprehensive knowledge to make important conclusions that ensure to keep the interfacial director orientation under control. The second main goal of the proposed research is to explore and understand the topological properties, possible orientational defects on the surface of the liquid crystal and their dependence on the interfacial director alignment. The third major aim is to control the topology of liquid crystals interfacing other fluids by external electric/magnetic fields, and to understand the interactions that are characteristic only to the systems with non-solid boundaries, including the phenomena related to static and dynamic director distortions.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The scientific background of the simplest form of fluidic anisotropic soft matter, namely nematic liquid crystals, is well established in geometries with solid confining surfaces, whereby nematics are already achieved high impact as being the basis of flat displays. Recently, the scientific interest has turned to directions where the focus is in their ability to form topological defects, which can be observed more easily than in other fields like cosmology or quantum physics. Additionally, their soft and anisotropic nature offers the ability of controlling the topological objects by external electric, magnetic fields or light. The boundary conditions play a crucial role in the formation of defects. The properties of liquid crystals interfacing non-solid media is much less known than those contacting solids, in spite of the higher degree of freedom that promises many points of interest. However, there are some emerging applications using nematic interfaces with other fluids, though only a very few compounds are utilized so far, and the underlying mechanisms governing the interfacial alignment are mostly unknown. Our research aims to answer the following crucial questions by experimental investigations. How the director is oriented at interfaces with other fluids? What are the key factors and relevant material parameters and how do they influence the director at fluid surfaces? How does the interfacial director affect the topology? Where the topological defects are localized and what director fields are realized around them? How can one create topological defects with desired properties? How can we control the topology by external stimuli and how can this be exploited?
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Topological defects are consequences of general principles in nature; they appear when an order parameter of a system cannot vary continuously in space due to geometrical restrictions. The defect cores are singularities, where the properties of the system are qualitatively different than elsewhere. Our proposed research aims to investigate topology in anisotropic soft materials that offer great opportunities not only in observation of defects but also in controlling them in various ways, by boundary conditions or external fields. Therefore, due to the universality of topological defects, our foreseen results are expected to attract general interest from other fields, where singularities are important, e.g. in quantum field theory, cosmology, and condensed matter physics.
Our targeted measurements of the liquid crystal alignment at interfaces with other fluids and understanding the key parameters influencing this material property is expected to expose a significant impact on the emerging topic of anisotropic soft matter with soft boundaries, because the literature lacks comprehensive experimental studies that provide reference data for various liquid crystals. The new microscopy technique to be established for quantitative imaging of the interfacial orientation will be a unique innovation. The value of the resulting instrument will reach out beyond the goals of this proposal by providing a cutting-edge apparatus for future research purposes as well.
Our foreseen results may lead to new ideas, and will expectedly move forward those novel applications, where liquid crystals are interfacing other fluids or topological defects are present. These include the chemical/biosensing using the director reorientation at interfaces with water; the control of defect trapped particles/macromolecules via actuation by external fields; or in microfluidic/lab-on-a-chip devices involving anisotropic soft matter.
The participants of the proposed project are members of the only Hungarian group involved in experimental research on liquid crystals. We believe that, based on our experience, unique experimentation, and established know-how, we will successfully compete with foreign groups in the field of the present proposal.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Topological defects are local singularities in order due to special boundary conditions in a system. They are universal in nature, being important in many fields including cosmology, nanophysics, materials science, and particle physics. However their origin is geometrical, they can be considered as individual objects, since the properties of the system in the defect core are substantially different than elsewhere. They can trigger phase transitions, attract/repulse each other, and trap foreign objects. Besides their scientific interest, topological defects are important in applications: somewhere they are unwanted, e.g. in liquid crystal displays; elsewhere an application is based on them, e.g. in hardening of metals, or recently, in new approaches: in use of crystal vacancies for new types of light sources, biological imaging, or in spintronics. Our proposed project envisages one step further, aiming the creation of topological defects on demand by controlling the boundary conditions, and manipulating them in real-time by external electric/magnetic fields. We will study them in liquid crystals that offer plausible observability and high sensitivity to external stimuli. In order to keep the boundary conditions under control, we need to understand the key parameters influencing them. For that, we intend to develop a unique microscopy technique to measure the liquid crystal orientation at interfaces with other fluids. Then, using defects of known topology, we will investigate their control by electric/magnetic fields that we expect to be exploited in applications such as guided material transport, chemical/biosensing, and in microfluidic/lab-on-a-chip devices.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
