Search the digital library catalog

Abstract: V nalogi preučujemo sklopitev med nanodelci in termotropnimi nematičnimi tekočimi kristali (NTK). Slednje obravnavamo kot cilindrično simetrične objekte, ki jih v literaturi pogosto imenujejo kot rotorji. V prvem delu naloge preučujemo vpliv NTK na urejanje dispergiranih ogljikovih nanocevk (ON). Uporabili smo mezoskopski model, v katerem smo NTK opisali z Landau-de Gennesovo teorijo z enoosnim ureditvenim parametrom. Prisotnost ON smo upošteval z Doi-ovo prosto energiji, s katero smo modelirali liotropni značaj ON. Slednja interakcija upošteva t. i. sklopitev izključitvenega volumna. Obravnavali smo primer bi-disperzne porazdelitve ON v limiti šibke sklopitve NTK-ON. V tej limiti na sklopitev dominantno vpliva anizotropija površinske napetosti, medtem ko je interakcija z nematično orientacijsko urejenostjo relativno zanemarljiva. Glede na jakost ON-NTK interakcije smo zasledil dva kvalitativno različna režima obnašanja. V prvem režimu dispergirane ON posedujejo nezvezni prehod iz izotropne v orientacijsko urejeno fazo. V drugem nadkritičnem režimu pa je prehod med fazama postopen. NTK močno vsiljujejo ON stopnjo urejenosti, medtem ko je povratni urejevalni vpliv zanemarljiv. Tako je nematični ureditveni parameter NTK odvisen predvsem od temperature in le šibko od koncentracije ON. V nematični fazi urejenosti daljše ON izkazujejo močnejšo orientacijsko urejenost. V drugem delu naloge smo preučeval histerezno obnašanje NTK pri cikličnem spreminjanju zunanjega urejevalnega polja. Pri tem smo predpostavili, da relativno homogeno dispergirani nanodelci v NTK delujejo kot orientacijsko naključno polje. Takšne primere npr. zasledimo v mešanicah NTK in aerosilnih nanodelcev. Osredotočili smo se na določitev režimov s kvalitativno različnim histereznim odzivom. Pri tem smo spreminjali jakost nematične sklopitve in jakost naključnega polja. Večino raziskav smo izvedli v dveh prostorskih dimenzijah. V teoretični analizi smo uporabili dva različna pristopa. Sistem smo najprej analizirali v približku povprečnega molekularnega polja. V prvem koraku smo analogno s klasično izpeljavo v magnetizmu vpeljali efektivno polje, ki deluje na lokalno nematično urejenost. Slednjo smo opisali s tenzorskim ureditvenim parametrom. V efektivnem polju smo upoštevali prisotnost »povprečnih« sosedov. Predpostavili smo, da sta lastna okvirja tenzorskega efektivnega polja in nematične urejenosti vzporedna in na ta način dobili samo-usklajevalno enačbo. V slednji smo vpeljali povprečenje po orientacijski neurejenosti nanodelcev. V drugem pristopu smo numerično preučevali nematično urejenost za dane vrednosti interakcij v sistemu in nato iz dobljene konfiguracije izračunali povprečni globalni nematični ureditveni parameter. V obeh pristopih smo enačbe reševali numerično pri temperaturi nič. Pri spreminjanju jakosti značilnih interakcij sistema smo dobili kvalitativno različne histerezne zanke in določili področja stabilnosti kvalitativno različnih zank. V obeh pristopih smo dobili kvalitativno podobno obnašanje in pojavile so se samo razlike v kvantitativnem obnašanju. Torej približek molekularnega polja predstavlja v tem primeru relativno zanesljivo in preprosto orodje. Rezultati naloge so potencialno zanimivi za številne aplikacije v nanotehnologiji, ki so osnovane na interakcijah med nematičnimi tekočimi kristali in različnimi nanodelci. V primeru ON bi NTK komponento lahko izkoristili za kontrolirano orientacijsko manipulacijo dispergiranih ON. Tako bi lahko npr. kreirali različne prilagodljive in odzivne vzorce ON s specifičnim makroskopskim obnašanjem. Pri tem bi izkoriščali »mehkobo« NTK komponente in njeno odzivnost na zunanja urejevalna polja in na ograjevalno geometrijo. Po drugi strani bi lahko specifično histerezno obnašanje NTK v cikličnih urejevalnih poljih v prisotnosti nanodelčno generiranega nereda uporabili za različne »mehke« spominske elemente.
Keywords: tekoči kristali, histereza, lebwohl-lasherjev model, mrežna simulacija, nano cevke, povprečno molekularno polje
Published in DKUM: 06.02.2018; Views: 1851; Downloads: 79
Full text (1,90 MB)

Abstract: V doktorski disertaciji smo preučevali vpliv naključnega nereda na strukturne lastnosti nematskih tekočih kristalov (NTK). Slednje na semi-mikroskopski skali predstavljamo kot delce anizotropnih oblik cilindrične simetrije. Takšen sistem je primeren za preučevanje temeljnih lastnosti vpliva nereda, doseženega z zlomom zvezne simetrije. Sorodne primere predstavljajo naključni magneti, nečisti superprevodniki oz. superfluidi, mešanice različnih ogljikovih nano-cevk ter številni drugi sistemi kondenzirane materije. Sistemi, ki jih direktno obravnavamo, so najbližji naključno motenim magnetnim spinom. V slednji primerjavi je na semi-mikroskopski skali ena bistvena razlika. Za nematsko ureditveno polje je značilna t.i. »head-to-tail« invariance (neobčutljivost na 180° obrat). Nasprotno so magnetni sistemi občutljivi na spremembo predznaka magnetizacije. Omenjena razlika pomembno vpliva na možno strukturo topoloških defektov v strukturnem polju. Toda makroskopska domenska struktura, ki ji bomo posvetili največ pozornosti, je od tega le šibko odvisna. Omejili smo se na primere, v katerih so izviri naključnega polja »nečistoče« koncentracije ter so anizotropnih oblik. Pri preučevanju smo uporabili Lebwohl-Lasherjev mrežni model, v katerem je kubična mreža zapolnjena z NTK in »nečistočami«. Interakcije v modelu so kratkega dosega (čutijo jih le najbližji sosednji spini). Iskali smo mezoskopske statične rešitve sistema pri temperaturi nič, kar v realnosti pomeni sisteme globoko v nematski fazi. Vektorska polja, ki opisujejo orientacijsko porazdelitev NTK in »nečistoč«, so ponazorjeni s t.i. nematskimi spini oz. spini »nečistoč«. »Head-to-tail invariance« je upoštevana le pri nematskih spinih. Preučevali smo vrsto kvalitativno različnih modelov. Najprej smo preučili t.i. klasični RAF (random anisotropic field) model, v katerem so izviri naključnega polja »nečistoče«, kjer smo slednje delce poimenovali dis-orientacijski centri (DOC). V tem modelu je lahko posamezno mesto v mreži hkrati zasedeno tako z NTK kot DOC. V nadaljevanju smo preučili model, v katerem smo onemogočili hkratno zasedanje posameznega mesta v mreži s prej omenjenimi delci. Ta model smo poimenovali razširjeni RAF model. V obeh modelih so DOC orientacijsko »zamrznjeni« (statični), kjer je njihova orientacijska porazdelitev izotropna. V tretjem primeru smo preučevali model, v katerem obe vrsti spinov (nematski spini ter spini DOC) opišemo z variacijskimi polji. Poudarimo, da v slednjem modelu sistem ni frustriran na lokalnem ali globalnem nivoju. Pri tem smo vsiljevali medsebojno pravokotno postavitev NTK in DOC. V simulacijah smo izhajali iz homogene ali naključne začetne konfiguracije sistema, kar smo poimenovali zgodovina vzorca. Iz izračunane mezoskopsko-stacionarne konfiguracije sistema smo izračunali orientacijsko korelacijsko funkcijo nematskega spinskega polja. Iz korelacijske funkcije lahko sklepamo na vrsto ureditve sistema ter na različne druge makroskopske strukturne lastnosti posameznega sistema. Sistem lahko zavzame ureditev kratkega (SRO), kvazi red dolgega dosega (QLRO) ali red dolgega dosega (LRO). Za razlikovanje med slednjima dvema ureditvama je potrebna analiza končne velikosti. Iz poteka korelacijske funkcije lahko poleg dosega ureditve sistema razberemo še povprečno domensko dolžino, sistema ter razpršenost okrog njene vrednosti preko domenskega disperzijskega parametra. Ključni rezultati naloge so naslednji. Z uporabo klasičnega RAF modela smo pokazali, da je veljavnost Imry-Ma teorema, ki pomeni pomemben temelj statistične mehanike nereda, odvisna od zgodovine vzorca. Dobljeni rezultati namreč kažejo na to, da neskončno majhna naključna motnja uniči LRO in ga nadomesti s SRO le v sistemih z naključno začetno konfiguracijo. Za takšne sisteme smo dokazali, da ustrezajo skalni napovedi Imry-Ma teorema. V sistemih s homogeno začetno konfiguracijo omenjeni teorem ne velja. S temi rezultati lahko razložimo, zakaj različni eksperimenti na navidezno en
Keywords: Tekoči kristali, nanodelci, Imry-Ma teorem, zodovina sistema, ureditev, domenska struktura, Lebwohl-Lasher model, nered
Published in DKUM: 11.09.2013; Views: 2909; Downloads: 145
Full text (2,89 MB)