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Rotatore di gocce a cristalli liquidi azionato otticamente

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Rotatore di gocce a cristalli liquidi azionato otticamente

Scientific Reports volume 12,

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 16623 (2022) Citare questo articolo

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Dettagli sulle metriche

In questo studio, la rotazione delle goccioline di cristalli liquidi indotta dalla luce laser polarizzata ellitticamente è stata studiata utilizzando una pinzetta ottica. Il meccanismo di rotazione è stato analizzato in base alla disposizione delle molecole di cristalli liquidi all'interno delle goccioline. Il cambiamento nel comportamento di rotazione delle goccioline di cristalli liquidi nematici (NLC) è stato valutato variando la dimensione delle goccioline. I risultati sperimentali sono stati analizzati in base all'effetto della piastra d'onda e al processo di diffusione della luce. Il comportamento di rotazione delle goccioline di cristalli liquidi colesterici è stato esaminato variando la dimensione delle goccioline e il passo dell'elica, che era controllato dalla concentrazione del drogante chirale. I risultati vengono discussi in termini di riflessione selettiva del raggio incidente da parte della struttura elicoidale. È stata inoltre studiata la dipendenza della frequenza di rotazione dall'ellitticità del fascio incidente. Il contributo principale alla rotazione cambia gradualmente dalla trasmissione della luce alla riflessione con l'aumentare della chiralità della gocciolina. Un sistema rotatore NLC è stato costruito utilizzando pinzette ottiche olografiche. Un tale rotatore controllabile otticamente è un tipico dispositivo micro-optomeccanico. Campi di flusso complessi, compresi molteplici vortici e campi di taglio localizzati, sono stati realizzati su scala micrometrica.

La manipolazione dei materiali su microscala è fondamentale per valutare le proprietà microscopiche dei materiali morbidi e dei biomateriali1,2. Le pinzette ottiche sono strumenti fondamentali per controllare con precisione microoggetti, come colloidi, microrganismi e cellule3. I momenti lineari e angolari della luce guidano rispettivamente i loro movimenti di traslazione e rotazione. Ad esempio, i colloidi possono essere disposti secondo schemi complessi e guidati dinamicamente in modi complessi4. L'orientamento degli oggetti birifrangenti può essere controllato anche utilizzando la luce polarizzata5. In particolare, l'irradiazione di un oggetto birifrangente con luce polarizzata circolarmente induce una rotazione continua (movimento rotatorio)5.

Le goccioline di cristalli liquidi (LC) sono tipici materiali birifrangenti che possono essere ruotati dalla luce polarizzata circolarmente6,7,8. La loro struttura interna dipende dalle condizioni al contorno delle molecole sulla superficie delle goccioline9,10. Per l'ancoraggio tangenziale alla superficie di una gocciolina LC nematica (NLC), le molecole LC sono allineate parallelamente alla superficie della gocciolina ed esistono difetti a due punti ai poli della gocciolina; questa è chiamata struttura bipolare10. Per l'ancoraggio omeotropico, le molecole NLC sono disposte radicalmente e al centro esiste un difetto a punto singolo; questa è nota come struttura radiale10. Oltre alle strutture bipolari e radiali esistono numerose altre strutture, a seconda della resistenza e del tipo di ancoraggio10. Una gocciolina di LC colesterico (ChLC) può essere formata agitando la miscela di un NLC e un drogante chirale10,11. Le goccioline di ChLC hanno una disposizione molecolare elicoidale. Il rapporto tra il diametro della goccia d e il passo dell'elica p è un parametro critico che determina la struttura interna della goccia11.

Sono stati studiati diversi meccanismi per la rotazione delle goccioline LC e il loro contributo principale dipende dalla loro struttura interna12,13,14,15,16,17,18. Ad esempio, in una struttura bipolare, l’effetto piastra d’onda e il processo di diffusione della luce sono dominanti13,14,15 e la frequenza di rotazione arriva fino a 103 Hz6. Tuttavia, la gocciolina non ruota sotto una luce debole in una struttura radiale e non induce un cambiamento nella struttura interna7. Nelle particelle solide chirali composte da ChLC polimerizzate otticamente, la riflessione di Bragg indotta dalla disposizione elicoidale delle molecole LC è il principale contributore alla rotazione mediante trappola gaussiana16,17 e non gaussiana18. Poiché la riflessione di Bragg si verifica solo quando la direzione della luce polarizzata circolarmente è la stessa della chiralità della particella, la particella chirale ruota solo nella stessa direzione della chiralità16. In condizioni specifiche (forte irradiazione luminosa che riorganizza l'allineamento molecolare di una gocciolina di ChLC con \(d/p\) = 0,5 o 1), la luce polarizzata linearmente induce la rotazione delle goccioline19.

 4.5 µm, respectively. (c) Polarizing microscopic images of NLC droplet under crossed-nicols polarizers and the schematics of molecular alignment. The molecular alignment within a smaller droplet is preradial, and that within a larger droplet is bipolar. The arrows indicate the rotation directions./p> 4 µm, Γ exhibited oscillatory behavior. There are four proposed origins of optical torque14: the waveplate effect, light-scattering process, photon absorption, and light-induced Fréederickzs transition. Only the optical torque generated by waveplate effects showed oscillatory dependence on droplet size, and its magnitude depended on the retardation, Δ = 2π∆nd/λ, of the droplet7,14. The oscillatory behaviors in different NLCs, 5CB and E7 scaled with ∆nd (see Supplementary Information). This trend also supports the concept that the waveplate effect significantly contributes to the optical torque for large droplets./p> 4.5 µm), the inner structure was bipolar (Fig. 1c, left), and Γ oscillated in this region. However, for d < 4.5 µm, the inner structure changed to a preradial structure (Fig. 1c, right), and Γ was proportional to d3. Such changes in the inner structure have also been reported in a previous study21. The critical size between the preradial and bipolar structures coincided with the size at which the dependence of Γ on d changed in our experiment. The power dependence in Fig. 1a is linear for both bipolar and preradial droplet. For a radial droplet, the nonlinear power dependence has been reported7. The linear dependence indicates that local optical deformation is not induced in a preradial droplet at lower power we used./p> 4.5 µm, where \({\mathcalligra{p}}\) and a are the fitting parameters. The green and blue lines in Fig. 1b represent the best-fitted curves of Eq. (4) to data for d < 4.5 µm and d > 4.5 µm, respectively. For d > 4.5 µm, the optimal value of a was 0.997, and the waveplate effect was dominant. This finding is consistent with the fact that the inner bipolar structure is anisotropic, and the waveplate effect is the dominant contributor. For d < 4.5 µm, a was 0.24, and the light-scattering process was dominant. In the rotation plane, the preradial structure was more isotropic than the bipolar structure. Therefore, the contribution of the waveplate effect was less significant than that of the light-scattering process. The energy efficiency, defined as the ratio of the power estimated by the fitting to that measured by the power meter at the focal plane, was six times higher for bipolar droplets than for preradial droplets (9% and 1.5% for bipolar and preradial droplets, respectively). It was confirmed that the NLC droplet with a bipolar structure converted optical energy into mechanical energy more efficiently than that with a preradial structure. Considering waveplate effect and scattering one based on the birefringent model, the contribution of two effects and the energy efficiency were quantitatively discussed./p> 1, the inner structure is RSS./p> 1, the inner structure changed to a radial spherical structure (RSS) (Fig. 2d, right), and the droplet rotated. In the RSS, the function of the waveguide vanished, and angular momentum transfer occurred. All plots had a peak at approximately the same position (d/p ~ 1.5). At this peak position, d approaches the Bragg wavelength np of the ChLC droplet, where n is the refractive index of approximately 1.503 for E725./p> 3 µm). Because the polarizer and analyzer were removable, the image could be switched between bright-field and polarization. The rotational motion could be monitored from the temporal change in the image intensity, owing to the birefringence of LC droplets13. The time evolution data of the sum of the image intensity along a horizontal line across the center of the droplet were Fourier-transformed to determine the droplet rotation frequency ν. The lowest frequency peak corresponded to either the 2ν or 4ν modulation of the rotation frequency, depending on the inner structure. We watched the videos to confirm whether the low-frequency peak was either 2ν or 4ν and finally determined ν./p>