Rotador de gotas de cristal líquido acionado opticamente

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 16623 (2022) Citar este artigo

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Neste estudo, a rotação de gotículas de cristal líquido induzida por luz laser elipticamente polarizada foi investigada usando pinças ópticas. O mecanismo de rotação foi analisado com base no arranjo das moléculas de cristal líquido dentro das gotículas. A mudança no comportamento de rotação de gotas de cristal líquido nemático (CNL) foi avaliada variando o tamanho da gota. Os resultados experimentais foram analisados com base no efeito waveplate e no processo de espalhamento de luz. O comportamento de rotação de gotas de cristal líquido colestérico foi examinado variando o tamanho da gota e o passo helicoidal, que foi controlado pela concentração do dopante quiral. Os resultados são discutidos em termos da reflexão seletiva do feixe incidente pela estrutura helicoidal. A dependência da frequência de rotação com a elipticidade do feixe incidente também foi estudada. A principal contribuição para a rotação muda gradualmente da transmissão da luz para a reflexão com o aumento da quiralidade da gota. Um sistema rotador NLC foi construído usando pinças ópticas holográficas. Esse rotador opticamente controlável é um dispositivo micro-optomecânico típico. Campos de fluxo complexos, incluindo vários vórtices e campos de cisalhamento localizados, foram realizados em escala de mícron.

A manipulação de materiais em microescala é crucial para avaliar as propriedades microscópicas de materiais macios e biomateriais1,2. As pinças ópticas são ferramentas vitais para controlar com precisão microobjetos, como colóides, microrganismos e células3. Os momentos lineares e angulares da luz dirigem seus movimentos translacionais e rotacionais, respectivamente. Por exemplo, os colóides podem ser organizados em padrões complexos e conduzidos dinamicamente de maneiras complexas4. A orientação de objetos birrefringentes também pode ser controlada usando luz polarizada5. Em particular, a irradiação de um objeto birrefringente com luz circularmente polarizada induz rotação contínua (movimento giratório)5.

Gotas de cristal líquido (LC) são materiais birrefringentes típicos que podem ser girados por luz circularmente polarizada6,7,8. Sua estrutura interna depende das condições de contorno das moléculas na superfície da gota9,10. Para ancoragem tangencial na superfície de uma gota nemática LC (NLC), as moléculas LC são alinhadas paralelamente à superfície da gota, e existem dois defeitos pontuais nos pólos da gota; isso é chamado de estrutura bipolar10. Para a ancoragem homeotrópica, as moléculas NLC são dispostas radicalmente e existe um defeito de ponto único em seu centro; isso é conhecido como estrutura radial10. Além das estruturas bipolares e radiais, existem várias outras estruturas, dependendo da força e do tipo de ancoragem10. Uma gota de LC colestérica (ChLC) pode ser formada agitando a mistura de um NLC e um dopante quiral10,11. As gotículas de ChLC têm um arranjo molecular helicoidal. A razão entre o diâmetro d da gota e o passo helicoidal p é um parâmetro crítico que determina a estrutura interna da gota11.

Vários mecanismos para a rotação de gotículas de LC têm sido investigados, e suas principais contribuições dependem de sua estrutura interna12,13,14,15,16,17,18. Por exemplo, em uma estrutura bipolar, o efeito waveplate e o processo de dispersão da luz são dominantes13,14,15, e a frequência de rotação chega a 103 Hz6. No entanto, a gota não gira sob luz fraca em uma estrutura radial e não induz uma mudança na estrutura interna7. Em partículas sólidas quirais compostas por ChLCs curados opticamente, a reflexão de Bragg induzida pelo arranjo helicoidal das moléculas de LC é o principal contribuinte para a rotação por Gaussian16,17 e non-Gaussian trap18. Como a reflexão de Bragg ocorre apenas quando a direção da luz circularmente polarizada é a mesma da quiralidade da partícula, a partícula quiral gira apenas na mesma direção da quiralidade16. Sob condições específicas (forte irradiação de luz que reorganiza o alinhamento molecular de uma gota de ChLC com \(d/p\) = 0,5 ou 1), a luz polarizada linearmente induz a rotação da gota19.

4.5 µm, respectively. (c) Polarizing microscopic images of NLC droplet under crossed-nicols polarizers and the schematics of molecular alignment. The molecular alignment within a smaller droplet is preradial, and that within a larger droplet is bipolar. The arrows indicate the rotation directions./p> 4 µm, Γ exhibited oscillatory behavior. There are four proposed origins of optical torque14: the waveplate effect, light-scattering process, photon absorption, and light-induced Fréederickzs transition. Only the optical torque generated by waveplate effects showed oscillatory dependence on droplet size, and its magnitude depended on the retardation, Δ = 2π∆nd/λ, of the droplet7,14. The oscillatory behaviors in different NLCs, 5CB and E7 scaled with ∆nd (see Supplementary Information). This trend also supports the concept that the waveplate effect significantly contributes to the optical torque for large droplets./p> 4.5 µm), the inner structure was bipolar (Fig. 1c, left), and Γ oscillated in this region. However, for d < 4.5 µm, the inner structure changed to a preradial structure (Fig. 1c, right), and Γ was proportional to d3. Such changes in the inner structure have also been reported in a previous study21. The critical size between the preradial and bipolar structures coincided with the size at which the dependence of Γ on d changed in our experiment. The power dependence in Fig. 1a is linear for both bipolar and preradial droplet. For a radial droplet, the nonlinear power dependence has been reported7. The linear dependence indicates that local optical deformation is not induced in a preradial droplet at lower power we used./p> 4.5 µm, where \({\mathcalligra{p}}\) and a are the fitting parameters. The green and blue lines in Fig. 1b represent the best-fitted curves of Eq. (4) to data for d < 4.5 µm and d > 4.5 µm, respectively. For d > 4.5 µm, the optimal value of a was 0.997, and the waveplate effect was dominant. This finding is consistent with the fact that the inner bipolar structure is anisotropic, and the waveplate effect is the dominant contributor. For d < 4.5 µm, a was 0.24, and the light-scattering process was dominant. In the rotation plane, the preradial structure was more isotropic than the bipolar structure. Therefore, the contribution of the waveplate effect was less significant than that of the light-scattering process. The energy efficiency, defined as the ratio of the power estimated by the fitting to that measured by the power meter at the focal plane, was six times higher for bipolar droplets than for preradial droplets (9% and 1.5% for bipolar and preradial droplets, respectively). It was confirmed that the NLC droplet with a bipolar structure converted optical energy into mechanical energy more efficiently than that with a preradial structure. Considering waveplate effect and scattering one based on the birefringent model, the contribution of two effects and the energy efficiency were quantitatively discussed./p> 1, the inner structure is RSS./p> 1, the inner structure changed to a radial spherical structure (RSS) (Fig. 2d, right), and the droplet rotated. In the RSS, the function of the waveguide vanished, and angular momentum transfer occurred. All plots had a peak at approximately the same position (d/p ~ 1.5). At this peak position, d approaches the Bragg wavelength np of the ChLC droplet, where n is the refractive index of approximately 1.503 for E725./p> 3 µm). Because the polarizer and analyzer were removable, the image could be switched between bright-field and polarization. The rotational motion could be monitored from the temporal change in the image intensity, owing to the birefringence of LC droplets13. The time evolution data of the sum of the image intensity along a horizontal line across the center of the droplet were Fourier-transformed to determine the droplet rotation frequency ν. The lowest frequency peak corresponded to either the 2ν or 4ν modulation of the rotation frequency, depending on the inner structure. We watched the videos to confirm whether the low-frequency peak was either 2ν or 4ν and finally determined ν./p>

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