Chaining of hard disks in nematic needles: particle-based simulation of colloidal interactions in liquid crystals
Chaining of hard disks in nematic needles: particle-based simulation of colloidal interactions in liquid crystals
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向列针中的硬盘链接：基于粒子的液晶胶体相互作用模拟
DOI：
10.1038/s41598-020-69544-4
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发表时间：
2020
影响因子：
4.6
通讯作者：
Jan Kierfeld
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
David Müller;Tobias Alexander Kampmann;Jan Kierfeld
悬浮在液晶中的胶体颗粒可以表现出各种有效的各向异性相互作用，可以在自组装过程中进行调整和利用。我们模拟了悬浮在致密硬针溶液中的二维硬盘系统，作为悬浮在向列溶致液晶中的胶体的模型系统。新颖的事件链蒙特卡罗技术使我们能够在致密向列相中的显式液晶颗粒的微观模拟中直接测量胶体相互作用。我们发现圆盘沿着指向矢存在定向短程吸引力，这会触发与指向矢平行的链，并且似乎与具有首选角度的四极吸引力的标准液晶场理论结果相矛盾。我们的结果可以用短程密度依赖性耗尽相互作用来解释，但迄今为止，这种相互作用一直被忽视。耗尽相互作用的方向性和强度是由硬棒的弱平面锚定引起的。如果圆盘靠近的话，耗尽吸引力将明显超过四极弹性吸引力。许多圆盘的自组装通过中间链进行，这表明在溶致液晶胶体耗尽相互作用在结构形成过程中发挥重要作用。
Colloidal particles suspended in liquid crystals can exhibit various effective anisotropic interactions that can be tuned and utilized in self-assembly processes. We simulate a two-dimensional system of hard disks suspended in a solution of dense hard needles as a model system for colloids suspended in a nematic lyotropic liquid crystal. The novel event-chain Monte Carlo technique enables us to directly measure colloidal interactions in a microscopic simulation with explicit liquid crystal particles in the dense nematic phase. We find a directional short-range attraction for disks along the director, which triggers chaining parallel to the director and seemingly contradicts the standard liquid crystal field theory result of a quadrupolar attraction with a preferredangle. Our results can be explained by a short-range density-dependent depletion interaction, which has been neglected so far. Directionality and strength of the depletion interaction are caused by the weak planar anchoring of hard rods. The depletion attraction robustly dominates over the quadrupolar elastic attraction if disks come close. Self-assembly of many disks proceeds via intermediate chaining, which demonstrates that in lyotropic liquid crystal colloids depletion interactions play an important role in structure formation processes.
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R. Vink
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