Defect dynamics and defect annihilation in liquid-crystal films

• Applicant: Professor Dr. Ralf Stannarius
• Subject Area: Statistical Physics, Nonlinear Dynamics, Complex Systems, Soft and Fluid Matter, Biological Physics ; Experimental Condensed Matter Physics
• Term: from 2019 to 2022
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 417180448

• Final Report Year: 2023

Final Report Abstract

Das Projekt hatte zum Ziel die experimentelle und theoretische Untersuchung von Defektstrukturen in smektischen Filmen und ihrer Dynamik. Diese Strukturen sind von allgemeinem Interesse, weil ähnliche topologische Defekte in verschiedensten anderen physikalischen Systemen auftreten. Die untersuchten Disklinationen smektischer Filme können dabei als Muster dienen, mit denen Eigenschaften wie gegenseitige Wechselwirkung und Paarvernichtung bequem beobachtet und analysiert werden können. Im Projekt wurde die Annihilation von Defektpaaren experimentell charakterisiert und das bekannte Modell kritisch bewertet. Dabei haben wir den Zusammenhang zwischen der Orientierung des topologischen Dipols und der gegenseitigen Orientierungsphase der Defekte herausarbeiten können. Dieses Ergebnis hat auch für nematische Disklinationen Bedeutung. Aus den Experimenten konnten quantitative Werte der Elastizitäts- und Viskositätskoeffizienten gewonnen werden. Ein weiteres Ergebnis ist die Beschreibung einer Methode zur gezielten Präparation einzelner topologischer Dipole in den Filmen. Wir haben weiterhin die bekannten experimentellen Ergebnisse, analytischen Untersuchungen und Simulationen in einem Übersichtsartikel zusammengestellt und bewertet. Dabei wurden nicht nur die smektischen Filme, sondern auch nematische Systeme und Langmuir-Filme einbezogen, insofern sie sich in 2D beschreiben lassen. Es ist erstmals gelungen, das durch Defektbewegungen induzierte Flussfeld mittels Fluoreszenzmikroskopie zu detektieren und quantitativ zu bestimmen. Dadurch war es möglich, die Defektbewegung relativ zum Filmmaterial von der Advektion der Defekte im selbstgenerierten Fluss zu trennen. Die Methode ist auf andere Situationen, in denen Flussfelder in smektischen Filmen ohne Benutzung von Tracer-Partikeln bestimmt werden sollen, übertragbar. Ein COMSOL-Programm zur Simulation von gekoppelten Direktor- und Flussfeldern mittels FEM wurde erstellt. Es wurden bekannte experimentelle Beobachtungen damit simuliert. Erstmals konnten wir die induzierten Flussfelder in den Simulationen darstellen. Eine Beschreibung des Einflusses elektrischer Felder auf Nematen in ITO-beschichteten Zellen wurde von A. Habibpourmoghadam zusammengestellt. Im Falle der lokalen Bestrahlung einer ITO-Zelle mit einem Laser bilden sich inhomogene elektrische Felder, die zur Entstehung von defektähnlichen Strukturen des Direktorfeldes führen können.

Publications

• Annihilation of point defect pairs in freely suspended liquid-crystal films. Physical Review Research, 2(1).
  Missaoui, Amine; Harth, Kirsten; Salamon, Peter & Stannarius, Ralf
  
• Photorefractive Effect in NLC Cells Caused by Anomalous Electrical Properties of ITO Electrodes. Crystals, 10(10), 900.
  Habibpourmoghadam, Atefeh
  
• Topological Point Defects of Liquid Crystals in Quasi-Two-Dimensional Geometries. Frontiers in Physics, 8 (2020, 5, 25).
  Harth, Kirsten & Stannarius, Ralf
  
• Dynamics of Topological Defects in Freely Suspended Smectic Liquid Crystal Films and Bubbles, Dissertation, Paris und Magdeburg 2021
  Amine Missaoui
  
• Electro-Optically Induced Responses and Diffractive Effects in Liquid Crystal Cells; Investigating Experiments & Simulations, Dissertation, Magdeburg 2021
  Atefeh Habibpourmoghadam
  
• Observation of Backflow during the Anihilation of Topologocal Defects in Freely Suspended Smectic Films. Crystals, 11(4), 430.
  Missaoui, Amine; Lacaze, Emmanuelle; Eremin, Alexey & Stannarius, Ralf