Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5628
Main Title: Nonlinear nonequilibrium dynamics in a nematic liquid crystal
Translated Title: Nichtlineare Nichtgleichgewichtsdynamik in nematischen Flüssigkristallen
Author(s): Stieger, Tillmann
Advisor(s): Schoen, Martin
Mazza, Marco G.
Referee(s): Schoen, Martin
Mazza, Marco G.
Dzubiella, Joachim
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Liquid crystals are elongated molecules with a rich and surprising phase behavior. Nonequilibrium conditions open a myriad possibilities of manipulating matter, and reach collective states not accessible under equilibrium conditions. We perform nonequilibrium molecular dynamics simulations of a nematic liquid crystal flowing around a colloidal particle. Because of a mismatch between the nematic far field alignment and the local orientation of the liquid-crystal molecules at the surface of the colloid, defect topologies arise if the host is in thermodynamic equilibrium. We study the flow-induced modifications of these topological defects. We find that Saturn ring defects are convected downstream along the flow direction, which is in agreement with experimental observations [1]. As Poiseuille flow is initiated, the Saturn ring is deformed. The degree of deformation is analyzed quantitatively in terms of characteristic geometric parameters fitted to suitable projections of the Saturn ring. Our results suggest that smaller Saturn rings are shifted downstream while approximately maintaining their circular shape, whereas larger ones exhibit an elastic deformation in addition. Additionally, we show that flow distorts Boojum defects into an asymmetrically larger downstream lobe. For a Janus colloid, exhibiting a Boojum defect and a Saturn ring defect, we find that the Boojum defect facing the upstream direction is destroyed and the Saturn ring is convected downstream. Furthermore, we study a similar system of a nematic liquid crystal flowing around a cylindrical pillar. We report flow-induced cavitation in an anisotropic fluid. Cavitation domains nucleate due to a sudden drop in pressure upon flow past the cylindrical obstacle. The inception and growth of cavitation domains ensue in the laminar flow regime. We study the physical principles governing the cavitation phenomena in nematic liquid crystals, and identify a critical value of the Reynolds number for cavitation inception that scales inversely with the characteristic order parameter of the nematic liquid crystal. Strikingly, the critical Reynolds number can be as low as about 50% of the cavitation threshold in the isotropic liquid crystal. These findings suggest that long range ordering, and its tunability, can be potentially applied as a novel control parameter to modulate cavitation inception in anisotropic fluids. Additionally, we find very good agreement with earlier microfluidic experiments [2] at smaller flow speeds before cavitation initiates. Our simulations are able to reproduce the structural changes within the microfluidic channel at different flow speeds.
Mit Hilfe von Molekulardynamiksimulationen im Nichtgleichgewicht untersuchen wir einen nematischen Flüssigkristall, welcher um ein kolloidales Teilchen fließt. Die Diskrepanz zwischen der globalen nematischen Vorzugsrichtung und der lokalen Orientierung der Flüssigkristallmoleküle an der Kolloidoberfläche führt zu Defekttopologien im thermodynamischen Gleichgewicht. Wir untersuchen die Modifikation der topologischen Defekte durch Fluss. Unsere Untersuchungen ergeben, in Übereinstimmung mit experimentellen Befunden [1], dass ein Saturnringdefekt in Flussrichtung verschoben wird. Zusätzlich wird der Saturnring durch den Poiseuillefluss verformt. Die Verformung lässt sich anhand von geometrischen Parametern aus Anpassungen geeigneter Projektionen des Saturnrings quantitativ analysieren. Unsere Simulationen zeigen, dass kleinere Saturnringe stromabwärts verschoben werden und ihre Kreisform nahezu behalten. Größere Saturnringdefekte hingegen weisen eine elastische Verformung auf, welche von der Kreisform abweicht. Weiterhin zeigen wir, dass der Fluss einen Boojumdefekt in einen asymmetrischen größeren Defekt flussabwärts verformt. Januskolloide weisen eine Kombination aus Boojum- und Saturnringdefekt auf. Unsere Untersuchung ergibt, dass der Boojumdefekt flussaufwärts zerstört wird und der Saturnring flussabwärts verschoben wird. Außerdem untersuchen wir ein vergleichbares System, in welchem der nematische Flüssigkristall um eine zylindrische Säule fließt. Wir beobachten flussinduzierte Kavitation in einer anisotropen Flüssigkeit. Kavitationsdomänen bilden sich auf Grund des Druckverlusts hinter der zylindrischen Säule. Sowohl die Entstehung als auch das Wachstum der Kavität findet unter laminaren Flussbedingungen statt. Wir untersuchen im Detail die physikalischen Ursachen, welche zum Phänomen der Kavitation in einem nematischen Flüssigkristall führen. Weiterhin bestimmen wir den kritischen Wert der Reynoldszahl für den Beginn der Kavität. Dieser kritische Wert skaliert invers mit dem charakteristischen Ordnungsparameter für einen nematischen Flüssigkristall. Markanterweise kann die kritische Reynoldszahl bis zu 50% niedriger sein als der Kavitationsbeginn in einem isotropen Flüssigkristall. Diese Befunde weisen darauf hin, dass die langreichweitige Ordnung potentiell als Kontrollparameter verwendet werden kann um den Beginn von Kavitation in anisotropen Flüssigkeiten zu beeinflussen. Zusätzlich erreichen wir sehr gute Übereinstimmung mit mikrofluidischen Experimenten [2] für geringere Flussgeschwindigkeiten, bevor die Kavitation einsetzt. Unsere Simulationen sind in der Lage die strukturellen Veränderungen innerhalb des Mikrokanals für verschiedene Flussgeschwindigkeiten zu reproduzieren.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/6044
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5628
Exam Date: 6-Dec-2016
Issue Date: 2016
Date Available: 15-Dec-2016
DDC Class: DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik::532 Mechanik der Fluide, Mechanik der Flüssigkeiten
Subject(s): nematic liquid crystal
molecular dynamics
nonequilibrium
flow
defect topologies
hydrodynamic cavitation
nematischer Flüssigkristall
Molekulardynamik
Nichtgleichgewicht
Fluß
Defekttopologien
hydrodynamische Kavitation
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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