Nature communications-是什么驅動了強限制膠體液晶中缺陷調解域結構？

將液態晶體限制在有限體積中時，邊界引起的表面錨與這些材料固有取向對稱-破壞之間的競爭，引起許多涉及拓撲缺陷結構的有趣現象。對于合成分子聚芳酯，如果用在液晶顯示器，這些缺陷結構與分子尺寸無關，但可以用連續理論很好的進行描述。相反，對于碳納米管和生物聚合物這樣的膠體系統，它們長度只有微米級，因此在強的限制條件下，連續現象可能不復存在。

近日，由荷蘭阿姆斯特丹FOM研究所研究人員領導的科研團隊，通過在特定磁盤和環形細胞融合器中對病毒粒子進行計算機模擬與實驗，展示了強體積限制膠體液晶導致新缺陷穩定對稱結構域的形成。這種有限尺寸效應對于設計光學活性微觀結構、開拓高限制液晶的未知機制來說都具有非常大的潛力。

【圖文導讀】

圖1限制在淺前房中棒狀顆粒堆積結構概覽.

符號說明：B_i，磁盤里；B_b，磁盤邊界；B₀，離中心有限距離；B_∞，離磁盤無限遠. L、D：分別為棒狀顆粒的長度與直徑.

第一行：根據旋轉位移點位置分類示意圖，（a）B_i，（b）B_b，（c）B₀，（d）B_∞.

第二行：顆粒位置與其對應右邊縱坐標取向的快照.

第三行：取向模式平均值超過10³配置.

第四行：標量序參數值S∈[0,1]，右邊為比例尺.

第五行：討論. 歸一化角損參數，其峰值在缺陷中心.

模擬參數：（e,i,m,q） L/D=15，η=0.16；（f,j,n,r）L/D=15，η=0.2；（g,k,o,s）L/D=20，η=0.2； （h,l,p,t） L/D=25，η=0.2.

圖2限制在環形腔室中棒狀顆粒堆積結構概覽，

從左至右依次展示了三倍、四倍、五倍對稱，符號說明：R_inner，模擬體積中心所開孔的內半徑.

第一行：模擬快照.

第二行：顆粒取向平均值超過10³配置，在右側用彩色條表示.

第三行：標量序參數值S∈[0,1].

第四行：歸一化角損參數.

每一欄的模擬參數（從左至右）：（a,d,g,j）H=6，L/D=15，η=0.20，R_inner=7.5；（b,e,h,k）H=6，L/D=25，η=0.20，R_inner=15；（c,f,i,l）H=3，L/D=25，η=0.20，R_inner=15.

圖3 不同幾何體中向列的域數.

符號說明： R_outer，模擬體積中心所開孔的外半徑.

模擬中觀察到的模型對稱數n，對于棒狀顆粒L/D=15、R_outer=40D，以及在不同堆積數下腔室高度H=D和H=3D，6D，其為內孔半徑R_inner的函數. 不同顏色的標記符號代表不同的模型，所選形狀如圖中最下面一行所示具有對稱性. 垂直虛線標記了基于文中討論幾何規則的不同模式間所預測的邊界.

圖4 實驗觀察到限制在磁盤狀和環狀細胞融合器中的膠體液晶結構

（a-c）三種典型模式，色調對應平均取向，亮度對應最大時間投射超過所需的2000幀熒光標記fd-病毒顆粒. （a）D2：實驗呈現出兩倍對稱和兩個奇異點；（b）D3：實驗呈現出三倍對稱和三個奇異點；（c）D_∞：實驗呈現出全旋轉對稱和無奇異點；標尺為5um.

（d）給定的可能模式P_patern為內徑R_inner的函數（其與外徑R_outer單位統一）. D₂（綠色方塊）最有可能為R_inner=0；D₃（紅色三角）最有可能為R_inner/R_outer=0.2；D_∞（藍色圓圈）最有可能為R_inner/R_outer=0.7.

文獻鏈接：Finite particle size drives defect-mediated domain structures in strongly confined colloidal liquid crystals

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