CC BY
5
УДК: 535.3+535.5+535.8
Соломатин А.С., Панкрушина А.В, Царева Е.В, Мащенко В.И., Ермакова М.В.
ОПТИЧЕСКОЕ МАНИПУЛИРОВАНИЕ НА ОСНОВЕ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ КОМПОЗИТОВ
Соломатин Алексей Сергеевич, д.т.н., профессора-mail: Sotrudnica_UNC@mail.ru
Панкрушина Алла Вадимовна, к.т.н., доцент
Царева Елена Владимировна, к.т.н., доцент
Кафедра Информатики и Компьютерного Проектирования
Российский Химико-Технологический Университет им.Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д.20
Мащенко Владимир Игоревич, к.х.н., с.н.с учебно-научной лаборатории теоретической и прикладной нанотехнологии Московский государственный областной университет (МГОУ) 141014, Московская область, г.Мытищи, ул. Веры Волошиной, д. 24.
Ермакова Мария Вадимовна магистрант факультета Инженерная Академия Российского Университета Дружбы Народов
На основе новых жидкокристаллических композитовна основе 4-циано-4-октилоксидифенила и боросилоксановых гелей предложены средства оптического манипулирования ультрадисперсными средами.Рассмотрено оптическое манипулирование для обеспечения многостадийных химических реакций, а также для обеспеченияпространственно-неоднородного распределения (концентрации) частиц.
Ключевые слова: оптическая анизотропия, оптический пинцет, боросилоксановые гели, жидкокристаллические композиты.
OPTICAL MANIPULATION BASED ON LIQUID CRYSTAL COMPOSITES
Solomatin A.S., Pankrushina A.V., Tsareva Е.У., Mashchenko V.I.*, Ermakova M.V.* Department of Computer Science and Computer Engineering D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia *Moscow Region State University, 24 Very Voloshinoy str., 141014, Mytishi, Russia
Based on new liquid-crystal composites based on 4-cyano-4-octyloxydiphenyl and borosiloxane gels, optical manipulation of ultrafine media is proposed. Optical manipulation is considered for providing multi-stage chemical reactions, as well as for providing spatially inhomogeneous distribution (concentration) of particles. Keywords: optical anisotropy, optical tweezers, borosiloxane gels, liquid crystal composites.
Введение
Целью данной работы о применении жидкокристаллических (ЖК) композитов [1,2] в оптическом манипулировании, являющейся продолжением [3-5], стала разработка средств обеспечения многостадийных химических реакций, а также заданного заранее пространственно неоднородного распределения определенных светоманипулируемых селективно сортов частиц. ЖК-композиты, предложенные в [3-6], служат основой для получения твист-структур [7], помещаемых последовательно с ЖК микролинзами [8, 9] в порах матрицы.
В практике светоманипулирования особое место занимает селективное манипулирование с помощью заранее выбранного по длине волны луча, соответствующего спектральному диапазону прозрачности именно (только) определенного сорта частиц (и притом с показателем преломления больше окружающей среды).
Для концентрации наибольшего количества частиц, попавших в луч, и в том числе не вполне прозрачных (давление света немного отталкивает их), лучи с одинаковой поляризацией скрещивают (собирают) в одной точке, своего рода накопителе частиц.
Оптический пинцет
Частица, если она поглощает или рассеивает свет, то давлением света перемещается вдоль луча от источника света. Если же частица преломляет (пропускает) свет того спектрального диапазона, которым она освещена, то будет втягиваться в луч (при показателе преломления больше чем у окружающей среды) или выталкиваться из луча (если показатель преломления меньше чему у окружающей среды). В первом случае частицы накапливаются в фокусе луча. Во втором случае частицы накапливаются в полом (кольцевого фокусирования) луче в его темной осевой части.
Тепловые колебания частицы позволяют ей выйти из слабо удерживающего ее луча с ростом температуры или по мере удаления в несфокусированном луче от источника, так как луч слабеет.
Матрица с расположенными в цилиндрических порах твист-регуляторами интенсивности на основе ЖК-композитов и ЖК линзами [8, 9]с фокусными расстояниями от десятков микрон до десятков миллиметров позволяет поляризованным
(поляризация определяется при изготовлении матрицы и может быть распределена между порами по какому-либо выбранному заранее правилу) лучом манипулировать ультрадисперсными частицами.
Структуры из ориентированных кристаллитов переходят в ЖК-фазу и могут быть приложением электрического поля переориентированы [8] под другое фокусное расстояние линз ЖК при нагревании композитов выше 55°С - температуры плавления 8ОЦБ. Для нагрева требуются конструктивные электронагревательные элементы. Охлаждение ниже температуры плавления ориентированных ЖК-композитов 4-циано-4-октилоксидифенил (8ОЦБ) на основе БС-геля приводите кристаллизации ЖК и к долговременному фиксированию полученных микроструктурс размерами от долей до десятков микрон ЖК-фазы в БС-матрицах, в зависимости от температурных режимов ориентирования и термофиксации композитов.
Рис. 1. 1 прозрачный слой над матрицей; 2 непрозрачный слой, в нем матрица цилиндрических пор, заполненных ЖК-композитом; 3 прозрачный слой под матрицей.
Оптический пинцет для многостадийного химического реактора.
Манипулируя селективно частицами, переместим (рис.2) частицы сортов А и В в объем, где они прореагируют друг с другомА+В^С. Аналогично для компонентов реакции D+E^■F. Затем из емкостей с продуктами этих реакций продукты С и D перемещаются (рис.2) в области
светоманипулирования селективно именно этими частицами (предполагается, что продукты С и D представлены в виде частиц) и снова обеспечивается реакция между селективно отобранными частицами C+F^G. Таким образом, обеспечим селективным светоманипулированием достаточно интенсивный при невысокой температуре многостадийный химический процесс.
Л+В-С
Оптический пинцет с концентрированием захваченных частиц в местах скрещивания лучей.
В местах скрещивания лучей с одинаковой поляризацией (рис.3) образуются максимумы интенсивности. Частицы, прозрачные в используемом спектральном диапазоне и имеющие показатель преломления больше чем у окружающей среды, передвигаются вдоль луча вблизи его оси и останавливаются (накапливаются) в максимумах интенсивности - в фокусе или в местах скрещивания лучей.
Как описано выше, матрица позволяет задать некое заранее определенное состояние поляризации лучей и тем самым (если две матрицы перпендикулярно друг другу направлены и лучи скрещиваются) задать в пространстве распределение максимумов интенсивности и путей передвижения частиц (вдоль оси лучей). Регулируя интенсивность лучей вплоть до минимума (погашения), можно отключать те или иные максимумы интенсивности в местах скрещивания лучей. Тогда накопленные в них частицы приходят в движение и перемещаются к следующему максимуму.
Таким образом, получается система контролируемого пространственного распределения частиц, селективно по длине волны (лучи могут быть разного цвета) и по поляризации (определяет максимумы в пересечениях лучей) накапливающихся в определенных точках (дискретных областях) и по мере регулирования интенсивности
перегруппировывающихся. Скорость движения частиц неодинакова, зависит от интенсивности луча и прозрачности частицы (давление луча), размеров и формы частицы (сопротивление среды).
{
<8>Е
6 ь.
(ЧГ-С
Рис.2. Оптическое манипулирование обеспечивает многостадийные химические реакции.
Рис.3. Оптическое манипулирование скрещенными лучами с регулируемой интенсивностью обеспечивает сортировку частиц по широкому ряду параметров.
Выводы
Основанная наориентированных ЖК-композитах4-циано-4-октилоксидифенил (8ОЦБ) на основе БС-геля конструкция, позволяющая управлять в различных режимахраспределением светового потока, обеспечивает оптическое манипулирование ультрадисперсными средами, их
сепарирование и избирательные химические реакции.
Список литературы
1. Пикин С.А., Блинов Л.М., Жидкие кристаллы. - М.: Наука, 1982. - 208 с.
2. Жаркова Г.М., Сонин А.С. Жидкокристаллические композиты. - Новосибирск: Наука. 1994. 214 с.
3. Соломатин А.С. Особенности формирования микроструктуры и оптические свойства жидкокристаллических композитных твист-ячеек /
A.С. Соломатин, В.И. Мащенко, Ю.О. Шашкова,
B.В. Беляев // Вестник Московского Государственного областного университета. Серия: Физика-Математика. - 2017. - №2. - С.53 - 63. Б01: 10.18384/2310-7251 -2017-2-53-63
4. Мащенко В.И. Особенности формирования микроструктуры жидкокристаллических композитов на основе боросилоксана / В.И. Мащенко, Ю.О. Шашкова, А.С. Соломатин, В.В. Беляев // Вестник Московского Государственного областного университета. Серия: Физика-Математика. - 2017. -№2. - С.34 - 45.
5. Мащенко В.И. Микроструктуры жидкокристаллических композитов на основе боросилоксана. Оптические свойства дисперсной жидкокристаллической структуры на их основе / В.И. Мащенко, А.С. Соломатин, Ю.О. Шашкова, В.В. Беляев // Вестник Московского государственного областного университета. Серия: Физика-Математика. - 2017. - № 3. - С.97 - 107. Б01: 10.18384/2310-7251-2017-3-97-107
6. Беляев В.В., Мащенко В.И., Соломатин А.С., Чаусов Д.Н. Способ получения смеси жидкого кристалла с полимером для дисплейной техники и оптоэлектроники // Патент России №0002607454. 2016.
7. Коншина Е.А. Оптика жидкокристаллических сред. - СПб: СПб НИУ ИТМО, 2012. - 99 с.
8. Невская Г.Е. Адаптивные линзы на основе жидких кристаллов. / Г.Е. Невская, М.Г. Томилин // Оптический журнал. - 2008. - Т.75. - №9. - С.35-48.
9. Соломатин А.С. Линзы на основе жидких кристаллов с неоднородным радиальным распределением директора // Вестник Московского государственного областного университета. Серия: Физика-математика. 2016. № 3. С. 37-45.
