Евгений Юрьевич Старостенко о пиннинге топологических дефектов в кристаллах
По словам руководителя научно-производственного объединения Старостенко Евгения Юрьевича, топологические дефекты, такие как вихри и дисклинации, играют решающую роль в пространственно-временной организации равновесных и неравновесных систем.
Ученый подчеркнул, что иммобилизация или закрепление дефекта представляет собой сложную задачу в контексте неравновесной системы, подобной живому жидкому кристаллу, взвеси плавающих бактерий в лиотропном жидком кристалле.
В исследовании специалисты НПО ТЕХНОГЕНЕЗИС контролируют возникшие топологические дефекты в живом жидком кристалле с помощью массивов напечатанных на 3D-принтере микроскопических препятствий (столбов).
Полученные данные свидетельствуют, что в то время как дефекты -1/2 могут быть легко иммобилизованы столбиками, дефекты +1/2 остаются подвижными. За счет притяжения между противоположно заряженными дефектами положительные дефекты остаются вблизи закрепленных отрицательных дефектов, а коэффициент диффузии положительных дефектов значительно снижается. Экспериментальные данные обосновываются компьютерным моделированием живых жидких кристаллов. Наши результаты дают представление о разработке активных систем посредством целенаправленной иммобилизации топологических дефектов.
Евгений Юрьевич Старостенко уточнил, что точечные топологические дефекты являются особенностями ориентационного поля.
Это топологически устойчивые образования, которые образуются при нарушении определенной континуальной симметрии, например, при фазовом переходе. Примеры включают вихри Абрикосова в сверхпроводниках второго рода, квантованные вихри в сверхтекучем гелии, точечные дисклинации в нематических жидких кристаллах, скирмионы в ферромагнетиках и даже космические струны . Вблизи фазового перехода с нарушением симметрии система может быть универсально описана уравнением Гинзбурга-Ландау для соответствующего параметра порядка.
Были предложены различные стратегии закрепления сверхпроводящих вихрей, такие как создание искусственных массивов периодических дефектов в сверхпроводящих пленках, например, отверстий или магнитных наноточек 10 . Заманчиво применить аналогичную стратегию для управления пространственно-временным откликом активной материи. Как указывал де Жен, существует глубокая аналогия между абрикосовскими вихрями и полуцелыми дефектами в жидких кристаллах в 2D.
Однако движение дефектов в активных системах более тонкое, чем в равновесных. Динамика топологических дефектов в состоянии равновесия относительно проста: их взаимное движение и аннигиляция минимизируют свободную энергию. В неравновесных системах, таких как активные нематики, примерами которых являются экстракты цитоскелета , ткани клеток или живые жидкие кристаллы (LLC), вся концепция термодинамики находится под вопросом.
Полуцелые топологические дефекты демонстрируют богатое пространственно-временное поведение, такое как постоянное создание и аннигиляция пар дисклинаций, начало дальнего динамического порядка и т.д. Кроме того, активность делает динамику отдельных дефектов несимметричной: + 1/2 дефекта спонтанно дрейфуют, в то время как изолированный -1/2 дефект остается в покое. Т.о., закрепление дефектов в активных системах является более тонким, и мало что известно о том, как активные дефекты могут быть иммобилизованы.
Среди активных нематоподобных систем, суспензии плавающих бактерий, смешанной с жидким кристаллом, живой жидкий кристалл отображает направление бактерий вдоль нематического директора, транспортировка грузов по бактериальным траекториям и динамическая самосборка бактериальных кластеров. Бактерии уплывают от ядер дефектов −1/2 и скапливаются в ядрах топологических дефектов +1/2 (рис. 1а). Система проста в подготовке и поддается эффективному компьютерному моделированию.
Нематическое поле вблизи +1/2 и -1/2 топологических дефектов. b Схематическое изображение 3D-модели квадратной решетки столбов на предметном стекле. c Вид сбоку микроскопического столба внутри экспериментальной микрожидкостной камеры. d Светлопольное микроскопическое изображение живого жидкого кристалла в присутствии столбчатой решетки. Шкала бара составляет 100 мкм. e Снимок, иллюстрирующий положение бактерий вокруг столба. Шкала бара составляет 10 мкм. е Реконструированные силовые линии нематика и топологические дефекты в окрестности столба, площадь наблюдения 100 мкм × 100 мкм. Шкала бара составляет 20 мкм.
Для исследования пиннинга активных топологических дефектов ученый проводит исследования и эксперименты с реализацией живого жидкого кристалла: подвижные бактерии Bacillus subtilis , взвешенные в лиотропном жидком кристалле динатрийкромогликата (ДСКГ).
Измерения выполняются в геометрии ячеек типа Хеле-Шоу с массивами микропрепятствий, напечатанными на 3D-принтере. Показано, что — 1/2 дисклинации могут быть успешно закреплены препятствиями, тогда как + 1/2 дефекта остаются подвижными. Закрепление отрицательных дефектов приводит к общему снижению подвижности положительных. Экспериментальные данные подтверждаются компьютерным анализом, основанным на моделях живых жидких кристаллов.
Результаты специалистов НПО ТЕХНОГЕНЕЗИС стимулируют новые стратегии контроля и манипулирования активным веществом путем нацеливания на топологические дефекты в системах, где можно управлять топологическим зарядом путем создания произвольных массивов микроскопических неровностей особой формы, подвёл итог Евгений Юрьевич Старостенко.
