Oberflächenreduktion und Entstehung von Falten und Tubuli in Flüssigkristallmembranen

Die Dynamik dünner Flüssigkeitsmembranen spielt in vielen Bereichen der Biologie oder bei technischen Anwendungen eine wichtige Rolle. Beispiele sind biologische Zellen, Seifenblasen und Schäume, Membranen in mikrofluidischen Geräten oder geschlossene flüssigkristalline smektische Membranen. Letztere haben den Vorteil, dass sie über lange Zeiträume stabil sind, da sie nicht wie Seifenblasen unter Verdunstung oder Abfluss des Wassers leiden. Daher eignen sich freistehende smektische Filme sehr gut als einfache Modellsysteme für komplexere Membranen.
Sie ermöglichen den Zugang zu Materialeigenschaften, wie z. B. die Kopplung von Kräften und Bewegungen in der smektischen Schicht mit Verformungen dieser Schicht, d. h. Ausbuchtungen oder Falten.
Experimentell können frei schwebende flüssigkristalline Filme durch das Kollabieren eines Catenoids erzeugt werden. Die entstehende Satellitenblase hat zunächst eine schlauchartige Form und zieht sich allmählich zu ihrer minimalen Oberfläche (Kugel) zusammen. Das Volumen der Blase bleibt konstant, aber die Oberfläche wird verkleinert, was das Material zwingt, neue Schichten zu bilden.
Außerdem kann in einigen Versuchen eine Verformung der smektischen Folie beobachtet werden (Falten). Es soll untersucht werden, wie sich eine smektische Membran unter Seitenkräften verformt. Insbesondere soll die Bildung von Falten und Schläuchen geklärt werden, da ihre Entstehung nicht durch die reine orientierungselastische Theorie der Flüssigkristalle erklärt werden kann. Es scheint offensichtlich, dass die Bildung neuer Schichten in smektischen Flüssigkristallen unter sehr starker seitlicher Kompression des Films energetisch weniger effektiv sein muss als die Bildung von Falten. Es wird auch analysiert, wie die Faltenbildung von den Materialparametern des Flüssigkristalls und seiner Dicke abhängt.
Es ist geplant, viskosere Flüssigkristalle als in früheren Experimenten zu verwenden, um dickere Filme bis zu einigen Mikrometern zu erhalten. Diese Materialien werden auch die Relaxationszeit der Blase verkürzen. Auf diese Weise werden zusätzlich die Oberflächenverkleinerung und das Volumen der Blase bestimmt, um die Arbeiten zur Entwicklung eines Modells der Schichtumverteilung fortzusetzen. Um die Vorhersagen des Modells für die Dynamik smektischer Schichten zu überprüfen, ist eine größere Variation der Schichtdicke sehr wichtig. Bei dickeren Schichten muss mehr Material aus den unteren Schichten umstrukturiert werden und die Relaxationszeit der Blase sollte sich erhöhen.

Oberflächenreduktion und Entstehung von Wrinkles und Tubuli in Flüssigkristallmembranen

The dynamics of thin liquid membranes play an important role in many areas of biology or technical applications. Examples include biological cells, soap bubbles and foams, membranes in microfluidic devices or closed liquid crystalline smectic membranes. The latter have the advantage that they are stable over long periods of time, since they do not suffer from evaporation or drainage of the water like soap bubbles. Thus, free-standing smectic films are very well suited as simple model systems of more complex membranes.
They provide access to material properties, such as the coupling of forces and movements in the smectic layer to deformations of this layer, i. e. bulges or folds.
Experimentally, free-floating liquid crystalline films can be produced by the collapse of a catenoid. Initially, the resulting satellite bubble has a hose-like shape, and gradually contracts towards its minimal surface (sphere). The volume of the bubble remains constant, but the surface area is reduced, forcing the material to build new layers.
In addition, a deformation of the smectic film can also be observed in some experiments (wrinkles). It will be investigated how a smectic membrane deforms under lateral forces. In particular, the formation of wrinkles and tubules will be clarified, since their formation cannot be explained by the pure orientation-elastic theory of liquid crystals. It seems obvious that the formation of new layers in smectic liquid crystals under very strong lateral compression of the film must be energetically less effective than the formation of wrinkles. It will also be analyzed how the formation of wrinkles depends on the material parameters of the liquid crystal and its thickness.
It is planned to use more viscous liquid crystals than in previous experiments in order to obtain thicker films up to a few micrometers. These materials will also reduce the relaxation time of the bubble. In this way, the surface reduction and the volume of the bubble are additionally determined in order to continue the work on the development of a model of layer redistributions. A greater variation of the film thickness is very important for checking the predictions of the model for the dynamics of smectic layers. In thicker films, more material from lower layers needs to be restructured and the relaxation time of the bubble should increase.