胶体在向列相液晶界面复杂自组织结构及相互作用研究

The interaction and self-assembly of colloids are an important research direction of soft matter physics. Colloids at liquid crystal interface exhibit complex interactions and self-assembling behaviors, and have high academic research value. In this project, the interaction and self-assembly of colloidal droplets at a nematic liquid crystal interface will be studied by means of optical microscopy and theoretical calculation. Experimentally, a variety of complex novel self-assembling structures, such as branching, cluster, and complex structures caused by chiral effects, etc., will be observed and characterized, and the structures will be controlled by changing various experimental parameters. Theoretically, the physical mechanism of these new phenomena will be analyzed and explained by the theory of elastic multipoles, and elasto-capillary coupling; in particular, the important role of longitudinal dipole, chiral dipole and the coupling between different types of dipoles and quadrupole in colloidal self-assembly will be revealed, and the many-body effect of the collective elasto-capillary coupling will be studied quantitatively. This project will not only expand people's understanding of the interaction and self-assembly of liquid crystal colloids, which has important theoretical significance, but also provides a bottom-up method for producing complex colloidal structures by liquid crystal interface, which has substantial guiding significance for practical applications.

胶体相互作用及自组织是软物质物理学的重要研究方向。液晶界面的胶体具有复杂的相互作用和自组织行为，具有很高的学术研究价值。本课题以向列相液晶界面的胶体液滴为研究对象，采用光学显微成像和理论计算的手段，研究液晶界面胶体的相互作用及自组织规律。实验上观测与表征多种复杂的新型自组织结构，如分枝状、团状、由手性作用引发的复杂结构等，且通过多种实验参数对结构进行调控。理论上用弹性多极矩、液晶弹性力与表面张力耦合理论分析与解释这些新现象的物理机制；特别地，揭示longitudinal dipole、chiral dipole，及各弹性偶极矩分量与弹性四极矩的耦合在胶体自组织中的重要作用；同时定量研究弹性力与张力耦合在多体问题中的放大效应。本课题不但将拓展人们对液晶胶体体系相互作用与自组织的认识，具有重要的理论意义，而且提供了一种利用液晶界面自下而上制作复杂胶体结构的方法，对实际应用具有重要指导意义。

胶体在自然界广泛存在，对胶体的研究是软物质物理学的一个重要分支。而对胶体的研究中，胶体的相互作用及自组织行为是一个重要的研究方向。本项目研究胶体在液晶界面的自组织，通过采用新颖的液晶胶体体系，观测与表征了液晶界面处胶体自组织的新现象。本项目成功制备了向列相的纤维素纳米晶溶致液晶，可对其进行有效取向，并用于胶体液滴的自组织。本项目通过控制胶体直径、胶体均匀性、液晶层厚度、液晶的手性等各种参数，对胶体结构进行了调控，形成了六角、链状、分枝状、在相错所形成的“毛细管”中填充等多种自组织结构。在实验上，通过将液晶看作椭圆偏振波片，本项目还提出了一种分析胶体液滴周边液晶指向矢分布的光学方法。在理论上，本项目采用了弹性多极矩理论分析液晶-空气界面处胶体液滴的相互作用与自组织行为，研究了longitudinal dipole及弹性偶极矩与弹性四极矩耦合在胶体液滴自组织中的作用。本项目对胶体形成的分枝状自组织结构进行了分形分析，讨论了其分形维数。本项目还研究了胶体在手性向列相液晶中的自组织结构及相关的毛细现象。本项目采用了液晶弹性力与表面张力耦合理论分析对胶体结构起稳定作用的吸引力，验证了弹性力与张力耦合在多体问题中的放大效应。总之，在胶体在液晶自组织这一研究领域，本项目的研究不但提供了新颖的制样和表征分析方法，展示了众多新颖的胶体自组织结构，而且从理论上也给出了较为完善的解释框架。