Mesophases in Molecular and Granular Systems : From Liquid Crystalline Polymers to Granular Rods

Titelangaben

Müller, Thomas:
Mesophases in Molecular and Granular Systems : From Liquid Crystalline Polymers to Granular Rods.
Bayreuth , 2016 . - 110 S.
( Dissertation, 2015 , Universität Bayreuth, Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik)

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Abstract

Die nematisch flüssigkristalline Phase stellt ein typisches Beispiel einer Mesophase eines thermodynamischen Systems dar. Sie zeichnet sich durch eine langreichweitige Orientierungsordnung bei gleichzeitig fehlender Positionsordnung der Moleküle aus und wird deshalb als zusätzlicher Zustand zwischen einer konventionellen Flüssigkeit und einem festen Kristall eingeordnet.Dabei ist die Anisotropie der einzelnen Moleküle eine notwendige Bedingung für das Auftreten der Mesophase. Entsprechend sind in einer nematischen Substanz die Moleküle typischerweise durch ein längliches Profil ausgezeichnet. In ähnlicher Art und Weise kann auch Granulat, also eine Ansammlung vieler makroskopischer Teilchen, durch Einwirken einer äußeren Anregung eine gewisse Orientierungsordnung ausbilden. Die Anisotropie der einzelnen Bestandteile ist auch hier eine notwendige Voraussetzung. Um einen Einblick in die Gemeinsamkeiten und Unterschiede mesomorpher Zustände in thermischen und athermischen Systemen zu geben, nimmt diese Arbeit auf experimentelle Ergebnisse in molekularen sowie in granularen Systemen Bezug.
Der erste Abschnitt schildert ein thermisches System bei dem ein nematischer Flüssigkristall mit geringem Molekulargewicht als Hauptkomponente verwendet wird. Dabei wird in binären Mischungen mit durch mesogene Seitenketten funktionalisierten Blockcopolymeren der Einfluss des Polymers auf den Nematen untersucht. Die Mikrophasenseparation der Polymerendblöcke und das Überschreiten einer kritischen Konzentration führen zur Ausbildung eines physikalischen Netzwerks, was einen gelierten Zustand des Nematen mit sich bringt. Im Gegensatz dazu verhalten sich die Mischungen unterhalb der kritischen Konzentration wie gewöhnliche Nematen, einschließlich ihrer typischen doppelbrechenden Charakteristika. Zur Bestimmung der viskoelastischen Eigenschaften solch verdünnter Mischungen wurden unter Zuhilfenahme eines Polarisationsmikroskops dynamische elektrooptische Messungen durchgeführt. Dabei wurde mit zunehmender Polymerkonzentration ein Anstieg der Rotationsviskosität festgestellt. Die Ergebnisse können sowohl zur Dimensionsabschätzung der durch Selbstassemblierung entstandenen Polymercluster, als auch zur Bestimmung des Gelierpunktes verwendet werden.
Zusätzlich zu den Ergebnissen der ersten Publikation sind auch Untersuchungen über die Langzeitstabilität der verdünnten Lösungen Bestandteil dieser Arbeit. Auf langen Zeitskalen wurde eine Abnahme der Rotationsviskosität beobachtet, was durch eine effektive Abnahme der Polymerkonzentration beschrieben werden kann. Außerdem wurden mit Hilfe der Polarisationsmikroskopie in einigen der binären Mischungen regelmäßige Strukturen detektiert, welche an Suspensionen kolloidaler Teilchen in einem Nematen erinnern. Solch eine Verformung des ansonsten gleichförmigen Direktorfelds wird auf eine Aggregation vieler Polymerketten in große Cluster zurückgeführt. Die thermische Behandlung des Materials und das elektrooptische Verhalten der Strukturen werden im Rahmen dieser Arbeit diskutiert. Außerdem wird ein phänomenologisches Modell für die Verteilung des Direktors in der Nähe der Agglomeration vorgestellt.
Der letzte Teil über molekulare Systeme nimmt auf die zweite Publikation Bezug, in welcher experimentelle Untersuchungen von Mischungen oberhalb der kritischen Polymerkonzentration beschrieben sind. Im Gegensatz zu den gering konzentrierten Proben liefert dieser gelierte Zustand des Flüssigkristalls aufgrund des Netzwerks eine Polydomänenstruktur, was zu einer starken Streuung des Lichts führt. Durch starke elektrische Felder ist es allerdings möglich eine bevorzugt parallele Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle zu erzeugen. Somit kann von einem opaken in einen transparenteren Zustand umgeschaltet werden. Eine Analyse dieses elektrisch induzierten Schaltverhaltens und der rheologischen Charakteristika liefert eine Beziehung zwischen den physikalischen Eigenschaften des Gels und einer Variation der Struktur des Blockcopolymers.
Im zweiten Abschnitt dieser Arbeit werden makroskopische, granulare Systeme behandelt. Den Untersuchungen der dritten Publikation entsprechend wird dabei insbesondere die Orientierungsordnung in einer Monolage vertikal angeregter zylinderförmiger Stäbchen beschrieben. In solch einem quasi-zweidimensionalen System können je nach Längen-Durchmesser-Verhältnis der Zylinderstifte zwei unterschiedliche Arten mesomorpher Zustände beobachtet werden. Während kurze Stäbchen einen tetratischen Zustand mit vierfacher Rotationssymmetrie ausbilden, findet man in Systemen mit längeren Stäbchen eine einachsige nematische Ordnung. Für das Auftreten eines geordneten Zustandes ist die Packungsdichte der Teilchen ein entscheidender Parameter, die Frequenz und Stärke der vertikalen Anregung spielen hingegen keine große Rolle. Die Zustandsdiagramme von getriebenem Granulat und entsprechenden Monte-Carlo-Simulationen weisen einige Gemeinsamkeiten auf, wodurch eine gewisse Universalität bei der Anordnung stäbchenförmiger Teilchen in Nichtgleichgewichtsund Gleichgewichtssystemen verdeutlicht wird.
Zum Abschluss dieser Arbeit wird der dissipative Charakter granularer Materie beleuchtet. Außer Reibung und inelastischen Stößen kann bei der Wechselwirkung makroskopischer Teilchen auch eine Flüssigkeitsschicht auf deren Oberfläche zu einem Energieverlust führen. In solch einem Fall müssen viskose Dämpfung, Kapillarbrücken, sowie die Trägheit der Flüssigkeit berücksichtigt werden. Im Rahmen der vierten Publikation wurde der senkrechte Aufprall einer frei fallenden Kugel auf einer mit Flüssigkeit benetzten ebenen Oberfläche experimentell untersucht. Dabei konnte mit Hilfe des normalen Restitutionskoeffizienten der dissipative Einfluss der Flüssigkeit quantifiziert werden. Viele Parameter, wie Aufprallgeschwindigkeit, Kugelgröße, Filmdicke und Viskosität der Flüssigkeit, haben einen Einfluss auf den Wert des Restitutionskoeffizienten. Mit Hilfe der Stokeszahl ist eine Normierung möglich. Experimentelle Ergebnisse einer Variation der Materialeigenschaften der Kugel legen eine allgemeingültige Anwendbarkeit solch einer Normierung, abhängig vom Größen und Dichteverhältnis zwischen Kugel und Flüssigkeitsschicht, nahe.

Abstract in weiterer Sprache

The nematic liquid crystalline phase constitutes one of the most prominent examples of a mesophase. Characterized by long range orientational order and no positional order of the single constituents, it is classified as an intermediate phase between a liquid and a solid crystal. In thermodynamic systems, the anisotropy of the molecules is a necessary requirement for the appearance of a mesophase. Thus, typical nematic substances are characterized by an elongated molecular shape. Similarly, a conglomeration of agitated macroscopic particles can also exhibit orientational order, when the components satisfy the condition of shape-anisotropy. Considering the experimental results of both molecular and granular systems, this thesis gives insights into similarities as well as dissimilarities of mesomorphic states in thermal and athermal systems.
The first section highlights a particular thermal system where a low molecular weight nematic liquid crystal is used as the main component. In binary mixtures with mesogenic side-chain block copolymers, the influence of the polymer on the nematic host is investigated in detail. Above a critical concentration, microphase separation of the polymer end blocks yields the formation of physical bonds and a polymeric network, resulting in a gelified state. In contrast, below the gelation point, the mixtures behave like usual nematics and demonstrate typical birefringent features. Dynamical electro-optical measurements with polarizing microscopy were performed in order to determine some of the viscoelastic properties in the dilute regime. The measurements reveal an increase of rotational viscosity with increasing concentration of polymer. The data can be utilized to estimate the cluster size of the self-assembled block copolymer chains and to determine the gelation point of the system.
In addition to the results of the first publication, the long term stability of the dilute solutions is another topic of this thesis. At long time scales, a redecrease of the rotational viscosity could be observed, comparable to an effective loss of polymer concentration. Moreover, using polarizing microscopy, micron-sized regular patterns were detected in some of the binary mixtures, reminding of suspensions of colloidal particles in a nematic solvent. In the dilute polymeric mixtures, the local distortions of the otherwise well aligned nematic director field is attributed to the aggregation of many polymer chains into big clusters. Investigations on the thermal treatment and the electro-optical response are discussed in this work. Furthermore, a phenomenological model for the director distribution around the agglomerate is proposed.
The last part about molecular systems refers to the second publication, where investigations on mixtures above the critical concentration of block copolymer are described. In contrast to the mostly planar alignment of the director in the dilute regime, in the gelified state, the network formation yields a polydomain structure that strongly scatters light. Strong electric fields can be applied in order to realign the liquid crystal molecules and to switch from the opaque into a more transparent state. The electrically induced switching behavior and the rheological characteristics are used to identify the physical properties of the gel and to relate them with various block copolymer structures.
In the second part of this thesis, macroscopic granular systems are discussed. In particular, the orientational order in a monolayer of vertically agitated cylindrical rods is described, according to the investigations that are presented in the third publication. Dependent on the length to width ratio of the rods, the quasi-two-dimensional system displays two types of mesomorphic states. While short rods form a tetratic state with fourfold rotational symmetry, longer rods prefer uniaxial nematic ordering. The area density is identified as the crucial parameter for the occurrence of ordered states, while the frequency and the strength of the vertical agitation do not play a major role. A quantitative comparison between the experimental results of the agitated rods and the corresponding equilibrium Monte Carlo simulations can be drawn in terms of state diagrams for both systems. Strong similarities illustrate some kind of universality between the ordering of rod-shaped particles in nonequilibrium and equilibrium systems.
The last part of the thesis sheds light on the dissipative nature of granular matter. Apart from frictional forces and inelastic impacts, wet surfaces can cause additional dissipation of energy during the interaction of granular particles. Then, viscous damping, the formation and rupture of capillary bridges and the inertia of the liquid have to be taken into account. Within the framework of the fourth publication, the normal impact of a freely falling sphere on a wet flat surface has been investigated experimentally. The coefficient of normal restitution was used to detect the amount of dissipated energy due to the wetting. It is dependent on many parameters, like impact velocity, sphere size, film thickness and viscosity of the liquid layer. A scaling of the coefficient of restitution with the Stokes number was found. A variation of the material properties of the impacting sphere suggests an ubiquitous application of this scaling, dependent on the size ratio and the density ratio between the sphere and the liquid film.