РОЗДІЛ 2
Взаємодія колоїдних частинок з викривленим полем директора
Аналітичний підхід з розкладанням взаємодії на мультипольні складові у
більшості випадків працює на великих відстанях між частинками, коли збурення,
спричинені частинками, малі. У такому підході сторонній об’єкт у рідкому
кристалі розглядається як статичне джерело монопольного, дипольного, чи
квадрупольного поля, що взаємодіє в просторі з іншим об’єктом через потенціал
парної взаємодії. Тому це наближення аналогічне до мультипольної взаємодії в
електростатиці і передбачає силу взаємодії між двома монополями пропорційну ,
силу взаємодії між двома диполь-подібними об’єктами і силу взаємодії між двома
топологічними квадруполями [20], [22], [31].
Експерименти, що проводились, в основному були сконцентровані на вивченні
дипольної і квадрупольної взаємодій у нематичних колоїдах [12], [16], [24-30].
Зокрема, автори [24] і [27] досліджували дипольні і квадрупольні пружні сили за
допомогою лазерного пінцета.
Нещодавно було відкрито, що в рідкому кристалі можлива й взаємодія
кулонівського типу. Вперше це було показано в [32] для взаємодії дипольної
колоїдної частинки не з іншою частинкою, а з областю мікронного розміру, поле
директора якої деформоване променем лазера і має осьову симетрію, пізніше
детальніше досліджено в роботах [33], [34]. Схожу картину взаємодії було
виявлено пізніше при дослідженні взаємодії колоїдної частинки з гомеотропними
граничними умовами на поверхні з дисклінаційною лінією [35]. Ці результати
чітко показують, що формалізований підхід до опису міжчастинкової взаємодії, як
до суто мультипольної взаємодії пружних деформації директора, не завжди дає
адекватний результат. Тобто, щоб коректно описати взаємодію частинки з
викривленим полем директора, необхідно враховувати реальну симетрію деформації
директора.
У цьому розділі описано характер взаємодії колоїдних частинок з локально
деформованим полем директора та визначено умови, за яких реалізується
кулонівський потенціал взаємодії.
2.1. Лазерне захоплення колоїдних частинок з малим показником заломлення у
нематичному рідкому кристалі
В оптичному пінцеті за допомогою об’єктива мікроскопа з великою числовою
апертурою промінь лазера фокусується до області, розмір якої порядку довжини
хвилі лазерного випромінювання. Такий промінь з потужністю кілька міліват у
фокусі лазера може захоплювати і керувати об’єктами розміром від кількох
нанометрів до десятків мікрон [36], [37] і що було продемонстровано в 1986 році
[38], сила взаємодії між пасткою і об’єктом при цьому порядку [39]. Показник
заломлення частинок при такому захопленні повинен бути більшим за показник
заломлення середовища, що їх оточує, а їх рівноважне положення знаходиться в
точці з максимальною інтенсивністю лазерного випромінювання (здебільшого це
фокус лазерного пучка). Ефективність захоплення і утримуюча сила тим більші,
чим більша різниця показників заломлення частинки і середовища. Якщо ж
показники заломлення частинки і середовища однакові, то частинка не відчуватиме
дії лазерного променя, а коли показник заломлення частинки менший – то вона
навіть буде відштовхуватись від фокуса променя лазера. Для того, щоб зменшити
теплові ефекти, в експериментах переважно беруть прозорі частинки з малим
поглинанням. Переміщаючи фокус лазера, можна ефективно маніпулювати захопленими
частинками. Такі особливості лазерного пінцета зробили його використання
привабливим як для біології і медицини як мініатюрного стерильного інструмента,
що здатний керувати малими об’єктами (наприклад, живими клітинами і їх
частинами, вірусами, бактеріями, ДНК [40-43]), не пошкоджуючи їх; так і для
новітніх технологій для дослідження і формування впорядкованих структур
колоїдних частинок [30], [44].
У роботі [45] показано незвичайний механізм лазерного захоплення і маніпуляції
маленькими колоїдними частинками в нематичному рідкому кристалі. Сферичні
частинки з гомеотропними граничними умовами були дисперговані в нематичному
рідкому кристалі з показниками заломлення (звичайним і незвичайним) більшими за
показник заломлення самих колоїдних частинок. За таких умов можна б було
чекати, що між сильно сфокусованим світлом і частинкою виникатиме
відштовхувальна сила. Проте, навпаки, колоїдна частинка притягалась до фокуса
лазера (пастки) на значних відстанях порядку кількох мікрон. Автори [45]
спостерігали, що оптично індукована деформація (тобто оптичний перехід
Фредерікса – ОПФ) поля директора нематика відіграє важливу роль саме у
взаємодії між частинкою та сфокусованим лазерним променем. Захоплення частинки
лазерним пінцетом проявляється як взаємодія деформації директора навколо
частинки з локально деформованим директором у фокусі лазерного променя. Тому в
даному випадку оптичне захоплення, спричинене пружною взаємодією між двома
об’єктами, де одним об’єктом є оптично деформована область, а іншим – сама
колоїдна частинка. Слід відмітити, що пряма оптична взаємодія між колоїдною
частинкою з малим показником заломлення і оптичною пасткою відштовхувальна.
В наших експериментах ми використовували кварцові частинки діаметром і
показником заломлення (на довжині хвилі ), які були дисперговані в нематичному
рідкому кристалі 4ґ-n-пентил-4-ціанобіфенілі (5ЦБ). Показники заломлення 5ЦБ
для довжини хвилі і при кімнатній температурі [46]. Деякі експерименти
проводились також із використанням рідкого кристалу Е12, який є евтектичною
сумішшю n-ціанобіфенілів з температурою переходу в ізотропну фазу . При
кімнатній температурі і довжині світлової хвилі звичайний показник заломлення
Е12
- Киев+380960830922