Computational studies of 3D self-assembly of nematic colloids

向列胶体3D自组装的计算研究

基本信息

  • 批准号:
    2256345
  • 负责人:
  • 金额:
    --
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    英国
  • 项目类别:
    Studentship
  • 财政年份:
    2019
  • 资助国家:
    英国
  • 起止时间:
    2019 至 无数据
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Nematic colloids are a hybrid soft-matter system consisting of colloidal particles dispersed in a nematic liquid-crystalline host. Colloidal inclusions, which locally perturb nematic ordering, induce energetically unfavourable distortions and topological defects in the nematic medium. The system's drive to minimise free energy via the sharing of costly distortions endow the colloidal particles with highly anisotropic, elasticity-mediated interactions, which can be described in terms of a multipole expansion. In recent years, nematic colloids have emerged as an attractive class of building blocks for colloidal self-assembly with a rich playground for topological design, promising to extend the well-established `colloidal atom' paradigm.Despite this promise, studies of self-assembly of nematic colloids have largely focused on realising crystal structures in 2D, and a little is known about their phase behaviour in 3D. To address this knowledge gap, we have developed a computational framework for predicting crystal structures for spherical nematic colloids and studying their phase behaviour in 3D, using an effective pair potential that draws contributions from screened electrostatic repulsion and elasticity-mediated interactions under the multipolar approximation. The thesis will describe the development of this computational framework and present case studies to report novel phase behaviour as the effective pair potential is tuned. In certain cases, insight into how the crystal structures are self-assembled will be presented.
向列状胶体是一种混合软物质系统,由分散在向列状液晶主体中的胶体粒子组成。胶体包裹体局部扰乱向列有序,在向列介质中引起能量上不利的扭曲和拓扑缺陷。该系统通过共享昂贵的扭曲来最小化自由能,赋予胶体粒子高度各向异性、弹性介导的相互作用,可以用多极膨胀来描述。近年来,向列胶体已经成为一种有吸引力的胶体自组装构建模块,具有丰富的拓扑设计领域,有望扩展已建立的“胶体原子”范式。尽管有这样的前景,但对向列胶体自组装的研究主要集中在实现二维晶体结构上,而对其三维相行为知之甚少。为了解决这一知识差距,我们开发了一个计算框架,用于预测球形向列胶体的晶体结构,并在3D中研究它们的相行为,使用有效的对势,从多极近似下筛选的静电排斥和弹性介导的相互作用中获得贡献。本文将描述这种计算框架的发展,并提出案例研究,以报告有效对势被调谐时的新相位行为。在某些情况下,深入了解晶体结构是如何自组装将呈现。

项目成果

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