Strukturiranje domen in topoloških defektov
Oznaka in naziv projekta
J1-50004 Strukturiranje domen in topoloških defektov
J1-50004 Structuring of domains and topological defects in ferroelectric nematic liquids
Logotipi ARIS in drugih sofinancerjev
Projektna skupina
Vodja projekta: dr. Alenka Mertelj
Sodelujoče raziskovalne organizacije: Povezava na SICRIS
Sestava projektne skupine: Povezava na SICRIS
Vsebinski opis projekta
Nedavno odkriti feroelektrični nematski tekoči kristali (FNLC) so edinstveni primeri tekočih materialov. Zaradi kombinacije nizke simetrije, specifične topologije in sklopitve med spontano polarizacijo in nematskim parametrom reda so zelo zanimivi za temeljne študije unikatnih pojavov in topologije teh kompleksnih tekočin. Poleg tega so zaradi znatne spontane polarizacije (0,05 As/m), velike efektivna dielektrične konstanea (>10000) in nelinearnih optičnih koeficientov (1-10 pV/m) v kombinaciji z nematsko preklopljivostjo zelo obetavni za aplikacije, npr. v nelinearni optiki ali organski elektroniki. Njihova tekoča narava se kaže v edinstvenih feroelektričnih domenskih strukturah, katerih sestavni deli so topološki defekti in za študije temeljnih lastnosti in izkoriščanja FNLC v napravah je potreben natančen in ponovljiv nadzor teh struktur. V tem temeljnem projektu nameravamo združiti eksperimentalne in teoretične študije, da bi s poglobljenim temeljnim razumevanjem sistema dosegli učinkovito kontrolo nad formiranjem in oblikovanjem feroelektričnih domen in topoloških defektov. Izkoristili bomo izvirni princip, ki smo ga predlagali in pokazali v našem predhodnem delu, da lahko v FNLC za določitev orientacije polarizacije uporabimo deformacijo nematske orientacije, ki jo povzroči nehomogeno površinsko sidranje. Naš prvi cilj je identificirati in realizirati kompleksne površinske vzorce, ki inducirajo dobro definirane feroelektrične domenske strukture. Z neprestano povratno izmenjavo informacij med eksperimentalnimi in teoretičnimi študijami bomo razvili mezoskopski kontinuumni model feroelektrične nematske faze in njene interakcije s površino. Model bo služil kot temelj za načrtovanje kompleksnejših domenskih struktur, za realizacijo različnih topoloških defektov ter za kombinirano teoretično in eksperimentalno študijo odziva materiala na električna polja. Eden največjih potencialov feroelektričnih nematskih tekočin je njihov edinstveno močan nelinearni optični odziv, na primer generacija svetlobe s podvojeno frekvenco (SHG). SHG slikanje bomo uporabili za študije domen in topoloških defektov. Ker pa sta ustvarjanje in širjenje svetlobe s podvojeno frekvenco v nehomogenih dvolomnih strukturah zapletena, bomo razvili numerično orodje za izračun SHG slik poljubnih nehomogenih struktur z defekti, ki trenutno ni na voljo, vendar je bistveno za prihodnje načrtovanje nelinearnih optičnih elementov. Poseben izziv predstavlja tudi vloga topologije v sistemu, ki ga opisujeta dve polji (nematsko tenzorsko polje in polarizacijsko vektorsko polje), in za katerega je znano, da lahko nudi poenoten vpogled v strukturo in lastnosti materiala. Načrtujemo razvoj teoretičnega formalizma za opis in razvrščanje defektov v feroelektričnih nematskih tekočinah. Z njim bomo dobili intuicijo o fenomenološkem obnašanju materialov v različnih geometrijah in služil bo kot osnova za interpretacijo eksperimentalnih in numerično opaženih defektov. Poleg tega bomo znanje, pridobljeno pri uresničevanju začetnih ciljev projekta, izkoristili za ustvarjanje in premikanje topoloških defektov s površinskimi vzorci in/ali električnimi polji ter posledično za dosegli aktivni nadzor nad domenskimi strukturami. Projekt bodo izvedli člani skupine Svetloba in snov iz Instituta Jožef Stefan, ki so strokovnjaki za eksperimentalne študije polarnih mehkih materialov in so sodelovali pri odkrivanju in eksperimentalnih študijah feroelektričnih nematskih tekočin, ter teoretični fiziki iz skupine za fizike mehke in delno urejene snovi na Fakulteti za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani, ki so strokovnjaki za teoretično modeliranje kompleksnih sistemov mehke snovi in njihovo topologijo.
Osnovni podatki sofinanciranja so dostopni na spletni strani SICRIS.
Faze projekta in opis njihove realizacije
1. Faza Sklopitev polarizacije z orientacijskimi deformacijami in površinami
2. Faza Karakterizacija in slikanje s podvojeno frekvenco (SHG)
3. Faza Preučevanje topoloških defektov
Bibliografske reference
1. MEDLE RUPNIK, Peter, CMOK, Luka, SEBASTIÁN UGARTECHE, Nerea, MERTELJ, Alenka. Viscous mechano-electric response of ferroelectric nematic liquid. Advanced functional materials. [Online ed.]. 2024, vol. 34, iss. 38, 11 str. ISSN 1616-3028. Repozitorij Univerze v Ljubljani – RUL, DOI: /10.1002/adfm.202402554. [COBISS.SI-ID 196804611].
2. LOVŠIN, Matija, PETELIN, Andrej, BERTELOOT, Brecht, OSTERMAN, Natan, DREVENŠEK OLENIK, Irena, MERTELJ, Alenka, SEBASTIÁN UGARTECHE, Nerea, et al. Patterning of 2D second harmonic generation active arrays in ferroelectric nematic fluids. Giant. Aug. 2024, vol. 19, [article no.] 100315, str. 1-10, ilustr. ISSN 2666-5425. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666542524000791?via%3Dihub, DOI: 10.1016/j.giant.2024.100315. [COBISS.SI-ID 201164803].
3. LIU, Sunqian, MARINČIČ, Matevž, NYS, Inge, RAVNIK, Miha, NEYTS, Kristiaan. Photopatterned anchoring stabilizing monodomain blue phases. ACS applied materials & interfaces. 2024, vol. 16, iss. 49, str. 68579-68589, ilustr. ISSN 1944-8244. Repozitorij Univerze v Ljubljani – RUL, DOI: 10.1021/acsami.4c14574. [COBISS.SI-ID 217605635].
4. MEDLE RUPNIK, Peter, HANŽEL, Ema, LOVŠIN, Matija, OSTERMAN, Natan, GIBB, Calum Jordan, MANDLE, Richard J., SEBASTIÁN UGARTECHE, Nerea, MERTELJ, Alenka. Antiferroelectric order in nematic liquids : flexoelectricity versus electrostatics. Advanced science. 2025, vol 12, iss. 9, str. 1-13, ilustr. ISSN 2198-3844. https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202414818, DOI: 10.1002/advs.202414818. [COBISS.SI-ID 222625027].
5. SEYEDNEJAD, Seyed Reza, RAVNIK, Miha. Nematic liquid crystal flow driven by time-varying active surface anchoring. Soft matter. 2025, vol. 21, iss. 5, str. 835-843, ilustr. ISSN 1744-683X. Repozitorij Univerze v Ljubljani – RUL, DOI: 10.1039/D4SM00924J. [COBISS.SI-ID 222641155].
6. ZAPLOTNIK, Jaka, MUR, Urban, MUŠEVIČ, Igor, RAVNIK, Miha. Photonic defect modes in cholesteric liquid crystal resonators with embedded isotropic layers. Optics express. 2024, vol. 32, iss. 20, str. 34564-34581, ilustr. ISSN 1094-4087. Repozitorij Univerze v Ljubljani – RUL, DOI: 10.1364/OE.535293. [COBISS.SI-ID 207646211].
7. SEBASTIÁN UGARTECHE, Nerea, CMOK, Luka, PETELIN, Andrej, MANDLE, Richard J., MERTELJ, Alenka. Distinctive features of pretransitional behaviour between nematic phases as revealed by DDM. Liquid crystals. 2024, vol. 51, iss. 6, str. 1047-1063. ISSN 0267-8292. Repozitorij Univerze v Ljubljani – RUL, DOI: 10.1080/02678292.2024.2322611. [COBISS.SI-ID 187903491].
8. ERKOREKA, Aitor, SEBASTIÁN UGARTECHE, Nerea, MERTELJ, Alenka, MARTINEZ-PERDIGUERO, Jesus. A molecular perspective on the emergence of long-range polar order from an isotropic fluid. Journal of molecular liquids. [Online ed.]. 2024, vol. 407, art. 125188, 9 str. ISSN 1873-3166. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167732224012443?via%3Dihub, DOI: /10.1016/j.molliq.2024.125188. [COBISS.SI-ID 201950467].
9. A. Petelin, andrej5elin/dtmm2: V0.1.0, (2024). DOI: 10.5281/zenodo.11608823
10. GIBB, Calum Jordan, HOBBS, Jordan, NIKOLOVA, D. I., RAISTRICK, T., BERROW, S. R., MERTELJ, Alenka, OSTERMAN, Natan, SEBASTIÁN UGARTECHE, Nerea, GLEESON, Helen F., MANDLE, Richard J. Spontaneous symmetry breaking in polar fluids. Nature communications. 2024, vol. 15, art. 5845, 9 str. ISSN 2041-1723. https://www.nature.com/articles/s41467-024-50230-2, DOI: 10.1038/s41467-024-50230-2. [COBISS.SI-ID 201941763]