CC BY
9
УДК: 535.3+535.5+535.8
Соломатин А.С., Панкрушина А.В, Царева Е.В, Мащенко В.И., Ермакова М.В.
ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ КОМПОЗИТНЫЕ ЯЧЕЙКИ ДЛЯ ОПТИЧЕСКОГО МАНИПУЛИРОВАНИЯ
Соломатин Алексей Сергеевич, д.т.н., профессор,е-таП: [email protected]
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
Разработан на основе 4-циано-4-октилоксидифенила и боросилоксановых гелейматричный оптический элемент. На основе новых жидкокристаллических композитов предложены актуальные оптические конструкции элементной базы средств оптического манипулирования ансамблем частиц. Предложены методы манипулирования ультрадисперсными частицами и средами, для которых существенно различны длины волн их захвата оптическим пинцетом.Рассмотрено оптическое манипулирование как аналог мембранного разделения смеси частиц, а также для обеспечения реакции смеси частиц.
Ключевые слова: оптическая анизотропия, оптический пинцет, боросилоксановые гели, жидкокристаллические композиты.
LIQUID CRYSTAL COMPOSITE CELLS FOR OPTICAL MANIPULATION
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
A matrix optical element was developed on the basis of 4-cyano-4-octyloxydiphenyl and borosiloxane gels. On the basis of new liquid-crystal composites, current optical designs of the element base for optical manipulation of an ensemble of particles are proposed. Methods for manipulating ultradisperse particles and media for which the wavelengths of their capture by optical tweezers are significantly different are proposed. Optical manipulation is considered as an analogue of membrane separation of a mixture ofparticles, as well as for providing a reaction of a mixture ofparticles.
Keywords: optical anisotropy, optical tweezers, borosiloxane gels, liquid crystal composites.
Введение
Целью данной работы, являющейся продолжением [1-3], стала разработка на основе обладающих перспективными оптическими свойствамижидкокристаллических (ЖК) композитов [4, 5], изготовление которых описано в [1-3, 6],новых конструктивных решений для селективного (для мелких частиц различны длины волн их захвата) оптического пинцета. В качестве альтернативы мембранного разделения смеси частиц предложены оптические методики, обеспечивающие также и химическую реакцию заданных компонентов смеси.
Непрозрачная частица не фиксируется в фокусе луча, а выталкивается им по направлению светового потока давлением света. Прозрачные частицы (с показателем преломления больше чем у окружающей среды) накапливаются на оси, а затем смещаются в фокус луча, по градиенту интенсивности. Прозрачные частицы с показателем
преломления меньше, чем у окружающей среды, перемещаются против градиента, их собирают в полом луче в темной осевой части.
Тепловые колебания приводят к выходу частицы из недостаточно сфокусированного луча - при малом градиенте интенсивности. Луч сфокусированный перемещает частицу от области захвата (ближе фокусного расстояния) до фокуса.
Управляемые электрическим полем торцевых прозрачных электродов, твист-структуры[7] на основе ЖК-композитов удобны как регуляторы интенсивности луча, поляризация которого задана при изготовлении твист-элемента - одного из установленных в цилиндрических порах матрицы (рис.1). Поляризация может быть задана по некоему закону при изготовлении - например одинаковая для нескольких элементов.
Для фокусировки луча в тех же порах устанавливаются ЖК микролинзы [8, 9] с
фокусными расстояниями от десятков микрон до десятков миллиметров, для их формирования удобны микроструктурыв ЖК-композитах [1-3].
Охлаждение ниже температуры плавления ориентированных ЖК-композитов 4-циано-4-октилоксидифенил (8ОЦБ) на основе БС-геля приводит к кристаллизации ЖК и к долговременному фиксированию полученных микроструктур с размерами от долей до десятков микрон ЖК-фазы в БС-матрицах, в зависимости от температурных режимов ориентирования и термофиксации композитов.
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.
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 как аналог мембранной сепарации
Для ультрадисперсных частиц в жидкой прозрачной среде важное значение имеет определяемый их химическим составом спектр их поглощения/пропускания. Для многополосного спектра луча поляризованного света определяется набор захватываемых частиц. Для монохромного луча - какой-то приоритетно захватываемый сорт. Также имеет значение размер частиц - меньше или около длины волны света (про значение показателя преломления уже упоминалось выше).
Лучи света из пор матрицы (рис.2) захватывают мелкие частицы между матрицей и фокусным расстоянием, привлекают их на ось каждого луча и перемещают к фокусу. На фокусном расстоянии (см. выше - от десятков микрон до десятков миллиметров) частицы окажутся уже по другую сторону перфорированного экрана (рис.2), отверстия которого точно напротив пор матрицы. Таким образом, селективно будет отобрана некая составляющая ультрадисперсной среды и перемещена за экран, как в мембранных технологиях.
Рис. 2. Оптическое манипулирование как аналог мембранного разделения смеси частиц.
Можно пополнять расход частиц, добавляя смесь, обогащенную ими, в ближнюю к матрице часть (то есть до экрана). Тогда процесс будет идти непрерывно, сепарируя исходную смесь на высокообогащенную данным сортом частиц (за экраном) и обедненную (перед экраном). Поскольку размеры отверстий много меньше площади экрана, то диффузионное перемешивание невелико.
По мере перемещения частиц, попавших в луч, за экран, они заменяются новыми, попадающими в луч под влиянием процессов диффузии. Она ускоряется с ростом температуры, но есть предел способности луча удерживать частицы (противодействовать их тепловым колебаниям). Это определяет оптимальную температуру селективного оптического отбора частиц, заменяющего традиционные мембранные технологии в данном случае.
Оптический реактора.
пинцет
для
химического
По аналогии с рассмотренным выше процессом селективного отбора (сепарирования) частиц заданного сорта, можно (рис.3) обеспечить отбор двух сортов (на рис.3 обозначены как А и В) частиц с, вполне возможно, различными длинами волн (частицы могут иметь разные спектральные диапазоны прозрачности) для их селекции. Частицы двух сортов отбираются из смесей в двух разных объемах и поступают в расположенный (рис.3) между ними объем.
Как уже говорилось выше, фокусные расстояния при селекции располагаются за экраном, то есть, в данном случае, для обоих сортов частиц фокусные расстояния лучей находятся в том объеме, куда частицы перемещаются. Поэтому фокусы можно совместить, и тогда частицы наиболее сконцентрируются именно в одном и том же малом пространстве вблизи фокуса и интенсивность реакции между ними будет наибольшей, в том числе при невысокой температуре, что удобно для оптической селекции.
Для совмещения фокусов необходимо, чтобы лучи были соосны, то есть экраны расположены с учетом этого требования, а матрицы с обеих сторон
имеют одинаковое количество лучеиспускающих пор.
А А+В—>С В
Рис.3. Оптическое манипулирование обеспечивает реакцию смеси частиц.
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. 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
2.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.
3. 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
4. Пикин С.А., Блинов Л.М., Жидкие кристаллы. - М.: Наука, 1982. - 208 с.
5. Жаркова Г.М., Сонин А.С. Жидкокристаллические композиты. - Новосибирск: Наука. 1994. 214 с.
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.
