Soft matter has large response functions to external fields such as shear forces, electric/magnetic fields, and confinements. The studies of these response functions have contributed to the fundamental understanding of soft matter and the development of various applications such as electro-optic displays and sensors. In this point of view, we discuss the following problems.
1) We report the first study on the confinement-induced transition of the topological defects of liquid crystals (LCs) using smectic-A LCs confined in prolate spheroids with homeotropic anchoring. Upon increasing the aspect ratio of a LC droplet, dispersed in a stretched elastomer film, the topological defect undergoes a transition from a point to a line of which the length is a function of the aspect ratio. Additionally, when the size of a droplet is larger than a certain value, the defect has a pearl-necklace-like texture. We propose a simple model to understand the formation of these defects in terms of the misorientation and undulation instability of the smectic layers.
2) We present the first observation of liquid crystals confined in elliptic cylinders. To fabricate the elliptic cylinder, poly(dimethlysiloxane) (PDMS) micro-channels of circular cross sections are stretched uniaxially along the direction of the diameter. Upon increasing the aspect ratio of the elliptic cross section, confined nematic liquid crystals maintain the escaped-radial configuration with homeotropic anchoring. In smectic-A liquid crystals, defect regions of focal conic domains appear as a function of the aspect ratio. We propose a model to understand the formation of these defects in terms of the confinement-induced misorientation, and thereby the tilt grain boundaries.
3) We introduce a new one-step method to prepare magnetic Janus particles and observe their supra-structures under external magnetic field. We utilize the phase separation of polymers inside microfluidics-generated emulsion droplets during the evaporation of a solvent. In addition, polymer-stabilized magnetic nanoparticles locate themselves preferentially and make the magnetic anisotropy. Even, phase-separated polymers can be removed selectively to make intriguing morphologies. The anisotropy and the controlled morphology lead to interesting supra-structures such as zigzagged chains under external field. We expect this method can be applicable to various nanoparticles and polymers.
4) We observe various patterns of charged colloids in a low polar solvent under AC electric field. Our sterically-stabilized polymeric particles are charged in a low polar solvent thanks to nonionic surfactant dissolved in the continuous phase. These particles respond to AC electric field ($\sim 1V/\mu m$, $5-100 Hz$) to make the patterns such as hexagonally ordered dots and ordered stripe patterns. Varying several independent variables including the strength and frequency of the electric field, the volume fraction of particles, the concentration of nonionic surfactant, and the dimensions of the confinement, we investigate the phase diagram to help us understand how these patterns form.
무른 물질은 전단력과 전기/자기장 그리고 제한공간과 같은 외부장에 대해 큰 반응 함수를 가진 것으로 알려져있다. 이와 같은 반응함수를 연구함은 무른 물질을 연구하는 가장 기초적인 연구방법 중 하나이며, 디스플레이나 센서와 같은 상용제품에도 그 연구 결과가 많이 응용되어 왔다. 이와 같은 관점에서 액정을 중심으로 다음의 4가지 모델 시스템에 대해서 무른 물질의 반응함수를 연구하였다.
수직 앵커링을 가지고 장형의(prolate) 타원체 제한공간에 놓인 스멕틱 액정을 이용하여, 제한공간에 의한 액정의 위상적 결점이 전이되는 것을 관찰하였다. 한 쪽 방향으로 잡아당겨진 탄성체 필름에 분산 되어 있는 타원형 액정 방울의 장단축 비율(aspect ratio)을 증가 시킴에 따라, 액정의 위상점 결점은 점 형태로부터 선 형태로 전이되었다. 이 때 이 선형 결점의 길이는 방울의 장단축 비율의 함수로 기술될 수 있다. 이와 더불어, 방울의 크기가 어느 정도 이상으로 커지면, 결점 구조는 진주 목걸이와 유사한 형태를 보였다. 이와 같은 결점의 형성을 스멕틱 레이어의 어긋남(misorientation)과 구불거림 불안정성(undulation instabiliy)을 이용하여 기술하는 간단한 모델을 제시하였다. 그 결과, 2차원에서의 근사를 적용한 탄성 자유 에너지 계산으로 부터 실험값과 유사한 임계 어긋남 각도(critical misorientation angle)를 얻을 수 있었다. 장형 타원체 제한공간에서 액정을 관찰한 최초의 실험으로, 연속적으로 변하는 곡률을 가지는 제한공간이 액정의 결점 구조에 미치는 영향에 대한 이해와 이를 이용한 액정의 결점 구조의 제어에 도움이 될 것으로 기대한다.
두 번째는, 타원형 실린더에서 액정을 관찰하였다. 타원형 실린더를 만들기 위해, 원형 단면을 가지는 채널을 탄성체로 제작하고, 이를 원의 직경 방향으로 잡아당겼다. 타원형 단면의 장단축 비율을 증가 시킴에 따라, 네마틱 상을 가지는 액정은 수직 앵커링을 가질 때, escaped-radial 구조를 유지하였다. 스멕틱 액정에서는 장단축 비율에 따라서 focal conic doamin 결점이 나타났다. 이 역시 제한공간에 의한 스멕틱 레이어의 어긋남 즉, 기울어진 결정 가장자리(tilt grain boundary)를 이용하여 모델링하였으며, 탄성 자유에너지 계산을 통해 실험값과 유사한 결과를 얻을 수 있었다. 더불어 focal conic domain의 최소 크기 때문에, 임계 어긋남 각도가 실린더 크기에 영향을 받을 수 있다는 모델도 제시하였다.
콜로이드를 이용한 실험에서는 자기적 비등방성을 가지는 야누스 입자를 쉽게 합성할 수 있는 방법을 제안하고, 이를 이용해 합성한 자기 야누스 입자들이 외부 자기장에서 만드는 초구조를 관찰하였다. 마이크로플루이딕스를 이용하여 만들어진 에멀젼 방울에 녹아있는 고분자 조합이, 그 용매가 증발하여 없어짐으로써 상분리가 일어나는 것을 이용하였다. 같이 첨가된, 고분자를 이용해 안정화된 자기 나노입자들이 고분자들의 상분리가 일어날 때 특정 고분자 쪽으로만 위치하게 되는 것을 이용하여 비등방성을 만들어냈다. 이렇게 만들어진 입자는, 한 쪽 고분자만 선택적으로 녹여 없앰으로써 밥그릇 모양과 같은 형상들을 만들 수도 있었다. 이렇게 얻어진 비등방성과 제어된 모양은 외부 자기장에서 지그재그 형태와 같은 흥미로운 초구조를 만들었다. 한 번의 에멀젼화 만으로 비등방성 입자를 만들 수 있는 이 방법은, 다양한 고분자 조합과 양자점과 같은 기능성 나노입자에 일반적으로 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
마지막으로, 비극성 용매에 분산되어 있는 전하를 띄고 있는 콜로이드들이, 외부 전기장에서 만드는 다양한 패턴을 관찰하였다. 고분자를 이용해 입체적으로 안정화된 (sterically-stabilized) 고분자 입자들은 연속상에 존재하는 비이온성 계면활성제 때문에 비극성 용매에서 전하를 띄게 된다. 이 입자들이 교류 전기장에 ($\sim 1V/\mu m$, $5-100 Hz$) 반응하여 육각형 모양으로 정렬된 점 형태나 서로 평행한 띠 형태의 패턴을 만드는 것을 관찰하였다. 전기장의 세기나 주파수, 입자와 계면 활성제의 농도 그리고 시료가 들어있는 제한공간의 크기를 바꿔주면서, 상태도(phase diagram)를 측정하였다. 실험에서 관찰된 잘 펼쳐진 띠 패턴은 콜로이드 시스템에서는 잘 관찰되지 않은 패턴으로, 이 띠 패턴이 관찰되는 전기장(E)과 주파수(f) 사이에는 $f \sim E^2$와 같은 scaling 관계를 가지는 것을 실험적으로 확인하였다.
