Jul 27, 2023
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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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.