Динамика электромиграции диэлектрических микрочастиц в нематических жидких кристаллах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На нравах рукописи

Рыжкова Анна Викторовна

ДИ11ЛМИКЛ ЭЛЕКТРОМИГРАЦИИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МИКРОЧАСТИЦ В ИЕМЛТИЧЕСКИХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛАХ

Специальность 01.04.07 - физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 4 ОЕВ29И

Челябинск- 2011

4856114

Работа выполнена в ГОУ ВПО "Южно-Уральский государственный университет"

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор

Бсскачко Валерий Петрович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Бучсльников Василий Дмитриевич

кандидат физико-математических наук Чайков Леонид Леонидович

Ведущая организация: Институт физики молекул и кристаллов

Уфимский научный центр Российской Академии Наук

Защита состоится 16 февраля 2011 года в 14:00 на заседании диссертационного совета Д 212.298.04 в Южно-Уральском государственном университете по адресу 454080, г. Челябинск, нр. им. В.И. Ленина, 76, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Южно-Уральского государственного университета.

Автореферат разослан "^Р' января 2011г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

/П

А.В. Рощин

Общая характеристика работы

Актуальность работы

Методы управления движением частиц и молекул с помощью внешних электрических, магнитных и механических нолей известны достаточно давно, однако всплеск интереса к этой области возник с бурным развитием микро- и панотехпологий. Пространственное управление движением частиц нашло широкое применение в биотехнологиях и фармацевтике для исследования органических систем, селективного разделения многокомпонентных биологических и аналитических материалов, в наио- и микрожидкостных устройствах, дисплейных технологиях [1-3], а также в их приложениях для определения реологических свойств жидких сред, биологических клеток, ДНК [4].

Сегодня исследованиям движения микро- и наночастиц, диспергированных в жидких анизотропных средах, таких, как жидкие кристаллы (ЖК), растворы полимеров, ДНК, уделяется повышенное внимание. Данный интерес обусловлен возможностью управления параметрами ЖК с помощью внешнего электрического поля, а также особым характером взаимодействия между коллоидными частицами, следствием которых является формирование стабильных организованных коллоидных структур. Разработки методов управления движением микро- и паноколлоидов найдут широкое применение при создании фотонных кристаллов на основе упорядоченных трехмерных и двумерных коллоидных структур в жидкокристаллическом материале [5], в дисплейных технологиях, в качестве электронной бумаги [б] и в микрожидкостных приложениях. Перспективным направлением также является исследование управления движением жидкокристаллических коллоидов, па базе которых создаются перестраиваемые оптические микрорезонаторы [7]. Па основе данных элементарных устройств возможно формирование сложных фотонных цепей (photonic circuits) [8].

На настоящий момигг опубликовано всего несколько работ, посвященных исследованию движения микро- и наночасгиц в жидких кристаллах (ЖК) под действием внешнего электрического ноля. Это связано с тем, что динамика движения частиц в жидком кристалле значительно сложнее но сравнению с движением частиц в изотропных средах. В ЖК помимо известных элсктрокимстичсских явлений (электрофорез, диэлектрофорез и электроосмос) могут возникать дополнительные эффекты, связанные с анизотропией структуры, например, обратный поток, электрогидродинамические неустойчивости. Наиболее интересные и важные для практического применения электрокипетическис явления должны возникать в

сильных электрических полях. В настоящее время они малоизученны, а общая теория, описывающая их, не предложена. Кроме этого нет сложившегося представления о природе сил, управляющих движением коллоидных частиц в жидких кристаллах.

Для исследования механизмов элсктромиграции частиц в ЖК необходимо применять комплексный подход, включающий в себя экспериментальные исследования с помощью метода анализа скорости движения, метода оптического захвата движущихся коллоидных частиц, диэлектрических и электрооптических измерений, а также метода компьютерного моделирования.

Цель настоящей работы - экспериментальное исследование динамики электромиграции диэлектрических микрочастиц в нсматнчсском жидком кристалле под действием внешнего знакопеременного электрического поля. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) разработать нсматическую жидкокристаллическую ячейку со структурированными электродами, а также создать коллоидный раствор 11ЖК/микрочастицы и исследовать его злектрооитические и диэлектрические свойства;

2) исследовать зависимость динамики движения диэлектрических микрочастиц от величины амплтуды, частоты и формы сигнала приложенного электрического поля, от ориентации директора ПЖК, а также от геометрического положения микрочастиц;

3) экспериментально измерить силы, действующие на микрочастицу, и исследовать возможность количественного определения реологических параметров НЖК.

Используемые методы исследовании. Для решения поставленных задач в работе использовался комплексный подход, сочетающий известные экспериментальные методы и методы компьютерного моделирования:

- для изготовления подложек со структурированными электродами использовался фотолитографический метод. На стекло, покрытое проводящим слоем индиево-оловянпого оксида (англ. 1ТО), наносился фоторезист. Структура электродов задавалась специально изготовленной маской. Параметры электродов контролировались с помощью атомно-силового и оптического микроскопов;

- для изготовления жидкокристаллической ячейки (ЖК) использовалась традиционная технология. Нанесение полимерных ориентирующих слоев осуществлялось методом центрифугирования, толщина ЖК слоя задавалась с помощью спсйссров. Контроль толщины ячейки осуществлялся спектроскопическим методом;

- для изучения свойств тематического жидкого кристалла (НЖК), а также его смеси с диэлектрическими микрочастицами использовался метод диэлектрической спектроскопии и электрооптичеекий метод;

- для исследования особенностей динамики электрокинстичеекого движения микрочастиц использовался метод анализа скорости движения частиц;

- для количественной оценки значения сил, действующих на частицы, использовался метод оптического захвата. Данный метод позволил с высокой точностью определить величины электрокинетических сил, текучей вязкости ПЖК, а также эффективный поверхностный заряд микрочастицы;

- для расчета пространственного распределения электрического ноля и ноля директора НЖК использовался метод конечных разностей. Используемый метод является оптимальным для расчета распределения полей в комплексной среде с несколькими границами раздела.

Научная новизна:

1. Впервые обнаружено и подробно изучено нелинейное элсктрофоретичсское движение диэлектрических микрочастиц под действием внешнего знакопеременного электрического ноля в нсматическом жидком кристалле.

2. Впервые детально исследованы, а также объяснены особенности движения диэлектрических микрочастиц в НЖК материале под действием знакопеременного электрического ноля. Впервые установлено, что максимальная скорость движения частиц достигается ири нланарной ориентации ячейки.

3. Впервые показана доминирующая роль электрофорстического эффекта в динамике движения микрочастиц под действием внешнего переменного электрического поля. Впервые подробно исследованы особенности движения частиц между электродами ПЖК ячейки. Предложены механизмы, ответственные за неравномерное движение микрочастиц в области около электродов.

А. С помощью метода оптического захвата впервые измерены значения электрокинетических сил, приводящих микрочастицу в движение.

Практическая ценность работы:

1. Эффект нелинейного электрофореза может быть использован для управления движением, разделения микро- и нанообъектов в зависимости от их размеров и диэлектрических свойств. Системы, работающие на основе явления электрофореза, могут найти применение в медицине и фармацевтике для исследования органических систем, селективного разделения многокомпонентных биологических и аналитических растворов, в нано- и микрожидкостных устройствах [2-3], а также в дисплейных технологиях (электронная бумага) [6]. В отличие от случая линейного электрофореза, скорость движения микрочастиц при нелинейном электрофорезе выше в 10э раз.

2. Результаты, полученные при исследовании влияния характеристик электрического ноля, а также ориентации ЖК на динамику движения частиц в микрокапале, необходимы для определения наиболее оптимального режима для украшения движением микро- и паночастиц.

3. Разработанный метод но определению локальной текучей вязкости НЖК, эффективного поверхностного заряда и элсктрофоретической подвижности микрочастиц, представляет сравнительно простой и недорогой способ определения микрореологичсских параметров среды.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Под действием сильного переменного электрического поля диэлектрические микрочастицы, диспергированные в нсматичсском жидком кристалле, перемещаются вдоль направления электрического поля. Среднюю скорость движения микрочастицы V за полупериод колебания можно разложить в ряд по нечетным степеням напряженности электрического поля Е, у^'Е!-^'^1, где ц"' и ц131- линейная и нелинейная электрофорстичсскис подвижности, которые не зависят от Е. Характер движения частицы определяется толщиной двойного электрического слоя (ДЭС). В данном случае для диэлектрической сферической микрочастицы диаметром с!=2 мкм он составляет а «190 нм. В соответствии с теорией [9] для топкого двойного электрического слоя (¿»а) реализуется режим нслииейного электрофореза

2. 11ри приложении к 11ЖК ячейке (толщиной 20 мкм) электрического поля (с амплитудой от 0,1x10''В/м до 1;6х10'' В/м, частотой 0,5 Гц) с различной формой (прямоугольной, синусоидальной и треугольной) сигнала, скорость движения частиц зависит как от формы управляющего сигнала, так и от его амплитуды. Максимальная скорость движения частицы достигается при приложении напряжения с прямоугольной формой, минимальная - при треугольной у^у^у^, где у„, , у1|ои у„4- скорость движения микрочастицы при прямоугольном, синусоидальном и треугольном сигналах.

Нелинейная элсктрофоретическая подвижность микрочастиц ц№-(у)Де3), вычисленная как функция среднего за полупериод колебания приложенного электрического поля, не зависит от его формы и равна = 5 х 10"22 м4Дв' хс).

Скорость движения частиц зависит от ориентации ПЖК. Максимальное значение скорости движения достигается при нланариой ориентации НЖК, когда директор

ориентирован параллельно электрическому пошо ' минимальная - при

гомеотрошгой ориентации 11ЖК у110111, когда директор перпендикулярен стеклянным подложкам., у^1'""' >>у"''"9"- > V1""", где - плапарная ориентация, когда

угол между директором и электрическим нолем равен 45°, у**-*"'"', шикарная ориентация, когда директор перпендикулярен направлению электрического ноля.

3. Доминирующей силой, приводящей частицу в движение, является элсктрофоретическая сила КЕР|,. Кроме электрофоретической силы па динамику движения объекта на расстоянии порядка 20 мкм от элекгродов оказывают влияние диэлектрофоретическая сила РЕЕР и сила упругого захвата 1:ЕТР.

Скорость движения частиц зависит от их пространственного положения в зазоре между электродами. В областях около электродов скорость частицы увеличивается, в то время как в середине зазора скорость движения постоянная. Около электродов скорость движения частицы определяется выражениями:

У-- дЕ , £.А1ИКем]гаУЕ% Кг ; (1)

6ЛТ1Г Зг| бят^'1

.. ^^[КсЗг'УН2 Кг3 _ (2)

6лТ]Г 3^1 671^5'

где ц - заряд частицы, Ксм -- фактор Клаузиуса-Моссотти. Действительная часть фактора Клаузиуса-Моссотги зависит от часготы электрического поля. Если частота меньше критической частоты, равной частоте Максвслл-вагнеровской релаксации

(ь—°р — тоКс[К,,,.1": В противном случае действительная часть

2ле0(ер+2е1С) 1 см] аР 12аи. Р 3

фактора Клаузиуса-Моссотти имеет вид: Кс[К(Л1]-:--С-р С, с , где сгр поверхностная

Ер-(2си.

проводимость микрочастицы, п^ -электропроводность жидкого крисгалла; гр, диэлектрическая проницаемость микрочастицы и жидкого кристалла, соответственно; г - радиус микрочастицы; г]- текучая вязкость НЖК; К — постоянная Франка; \ -размер области неоднородной ориентации ПЖК около электродов. Выражение (1) соответствует значению скорости микрочастицы, когда она находится около отрицательно заряженного электрода в области действия диэлектрофоретической силы и силы упругого захвата. Выражение (2) соответствует значению скорости движения частицы, которая находится у положительно заряженного электрода.

Область действия силы упругого захвата FETf. для исследуемых условий составляет порядка 20 мкм от электродов. Величина и область действия диэлектрофоретической силы Fdi;(, зависит от диэлектрических параметров среды и частицы, ее радиуса, а также от пространственной неоднородности электрического поля. В условиях проводимого эксперимента (для частиц г 2 мкм) область действия FDnp равна »40 мкм от каждого электрода. За пределами данной области на частицу действует только электрофоретичсская сила и сила Стокса.

С помощью метода оптического захвата определены значения электрофоретической и диэлектрофоретической сил, действующие на диэлектрическую микрочастицу (г -2 мкм). Исследования проводились для ячейки толщиной 20 мкм, мощность лазерного излучения составляла Р ^З 1 мВт, длина волны излучения А -488 им, 'Г-: 40 °С. Значения диэлектрофоретической силы, действующей па микрочастицу па расстоянии 40 мкм, 30 мкм, 20 мкм, 10 мкм, от электродов составляет 0,27 п11, 0,73 all, 1,32 nll, 2,16 nll, соответственно. Значение электрофоретической силы равно FEr„ ~ 5,1 nll, Определены эффективный заряд микрочастицы q ~ 2,1*10"Кл и эффективная текучая вязкость НЖК в направлении перпендикулярном директору ndr; {21,2:14,7)* 10"' Пас.

Личный вклад. Автором разработана экспериментальная техника и методики проведения экспериментов но изучению электрокинетических явлений и оптического захвата микрочастиц в жидких кристаллах. Исследована динамика движения коллоидов (меламин-формальдегид резин), а также оценены параметры жидкости (текучая вязкость) и частицы (линейная и нелинейная электрофоретические подвижности, эффективный поверхностный заряд). Проведен анализ полученных результатов, предложена модель нелинейного электрофореза. Автором проведено компьютерное моделирование расчета сил, действующих на микрочастицу при оптическом захвате.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на следующих конференциях: на международных конференциях 3rd International Workshop on Liquid Crystal for Photonics, 8-10 September 2010, Elche, Spain, 23rd International Liquid Crystal Conference 11-16 July 2010, Krakow, Poland, 37 Arbeitstagung l-lüssigkristalic ('Topical Meeting on Liquid Crystals') 1-3 April 2009, Stuttgart: Gcrmany, 12th International Conference on I-crroelectric Liquid Crystals; 31 August - 4 September, 2009, Zaragoza; Spain, NATO Advanced Study Institute "Unexploded Ordnance Dctcction and Mitigation" 20 July - 2 August, 200S, II Ciocco,

Italy;, на 62ой научной конференции профессорско-нреподовательского состава, аспирантов и сотрудников Южно-Уральского государственного университета, 16 апреля 2010 г.; на III Всероссийской молодежной школе-ссминар с международным участием «Инновационные аспекты фундаментальных исследований ио актуальным проблемам физики» Москва, 25 - 30 октября 2009 г.; на конференциях молодых ученых Института Электрофизики (Екатеринбург, 2006, 2009 г.); на конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых но «Оптике и лазерной физике», Самара, 2004 и 2006 г.

Доклад по диссертационной работе был представлен на семинарах в i руин ах Prof. Dr. W. Haase, Eduard Zintl Institute for Inorganic and Physical Chemistry, Darmstadt University of Technology, Prof. Dr. B. Stuehn, Institute of Condensed Matter Physics, Darmstadt University of Technology, Prof. Dr. T. Halftnann, Institute of Applied Optics, Darmstadt University of Technology, Prof. Dr. C. 'l'ropca, Center of Smart Interfaces, Darmstadt University of Technology.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 научных работ, 3 из которых - в рецензируемых журналах.

Структура и объем диссертации- Диссертация состоит из введения, четырех глав, приложения, заключения, листа благодарности, списка литературы, содержащего 125 наименований цитируемой литературы и списка публикаций. Общий объем диссертации, включая рисунки и таблицы, составляет 153 машинописных страниц.

Основное содержание работы

Работа состоит из четырех основных частей, каждая глава начинается с короткого введения и оканчивается заключением.

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы цели и задачи, указана научная новизна работы.

В первой главе приведена классификация жидких кристаллов, описано их химическое строение, а также физические (диэлектрические, электроонтическис, реологические, упругие) свойства. Приведены результаты обзора методов управления движением микрочастиц в жидких средах. Рассмотрены способы манипуляции частицами с помощью внешнего электрического поля. Подробно описаны явления, а также механизмы возникновения электрофореза, диэлсктрофорсза, нелинейных элсктрокинетических эффектов. Описаны способы управления частицами с помощью

9

оптических ловушек. Рассмотрены некоторые классы пучков, обладающие уникальными свойствами по сравнению с гауссовым пучком. Представлены способы измерения вязкоупругих свойств материалов с помощью оптического захвата.

Анализ литературы показал, что исследования электрокинетических явлений в ЖК одновременно с помощью двух методов: анализа скорости движения частиц и оптического захвата не проводились.

Во второй главе описаны экспериментальные методики, используемые для исследования динамики движения микрочастиц под действием внешнего переменного электрического поля, оптического захвата микрочастицы.

Представлены результаты измерения диэлектрических и электрооптических свойств НЖК (MLC-6003, ТК.„,-84"С, Ле = 7,7; £, = 11,7; ex=4(f-=l kHz, Т=20 °С), время отклика г--20мс; текучая вязкость щ -0,054 Пас, r?L -0,08 Па-с Т=20 °С, а„. «1,5x10"" См/см (f 0,5 Гц), ри. -НООкг/м'), а также коллоидного раствора НЖК/микрочастицы. Сферические диэлектрические микрочастицы изготовлены из мсламип-формальдегид резина. На поверхности частицы меламина находится мстилоловая группа. Вследствие высокой плотности полярных триазинамино и имино групп, микрочастицы обладают гидрофильной положительно заряженной поверхностью. Описаны физические свойства частиц.

Предложена конфш-урация жидкокристаллической ячейки, позволяющая наблюдать за динамикой движения микрочастиц, а также осуществлять их оптический захват' (рис. 1а). Ячейка сделана из двух стеклянных подложек, расстояние между которыми заполнено смесью нсматичсского жидкого кристалла с диэлектрическими микрочастицами. На нижней подложке располагаются пленарные электроды. Подробно описана технология создания нсматической жидкокристаллической ячейки.

Представлено описание экспериментальной установки для исследования движения микрочастиц (рис. 16). Установка состояла из поляризационного микроскопа, видеокамеры, ячейки, генератора импульсов, усилителя сигналов и осциллографа. Такая схема позволяла исследовать динамику движения частиц и оценивать скорость перемещения микрообъекта в зависимости от формы, частоты и амплитуды приложенного сигнала.

Описана методика измерения вязкоупругого отклика материала и электрических параметров микрочастицы. Представлено описание экспериментальной установки, состоящей из Аг лазера, собирающей линзы, зеркал,

микроскопа, видеокамеры, ячейки (закрепленной на микро- и наноподвижках), подключенной к усилителю сигналов, генератору импульсов, осциллографу.

1 5

Рисунок 1. (а) Структура жидкокристаллической ячейки для исследования динамики движения микрочастиц в переменном электрическом поле; I -микрочастицы; 2 -стеклянные подложки; 3 — электроды; 4 - ориентирующий полимерный слой; 5 — НЖК (б) Схема установки для исследования электрокинетических явлений в НЖК: 1 НЖК ячейка; 2 - микроскоп; 3 - ПЗС камера; 4 - осциллограф; 5 - генератор; 6 - усилитель напряжения; 7 - компьютер.

Для оценки параметров микрочастицы и НЖК, частица захватывалась в лазерную ловушку и подвергалась действию со стороны электрического ноля. Из баланса силы оптического захвата и элсктрокинетических сил, действующих на микрочастицу, определялись искомые величины.

Б заключительной части главы представлены методы определения погрешностей измерений.

В третьей главе описано экспериментальное исследование динамики движения микрочастицы (г 2 мкм) между электродами. Показано, что направление движения объекта зависит от полярности электрического поля (рис. 2а) и носит пороговый характер (около 0,1-0,2 В/мкм).

В качестве основного движущего механизма предложен электрофорез. Оценена скорость движения частицы между электродами в нланарио ориентированной НЖК ячейке (£=0,1 Гц, Е= 0,6 В/мкм, форма сигнала прямоугольная).

Показано, что в середине зазора между электродами частица движется равномерно и прямолинейно, в то время как возле электрода скорость движения частицы возрастает (рис. 26). Предложена гипотеза, что изменение скорости движения объекта связано с действием дополнительных механизмов, а именно дизлектрофорстического и силы упругого захвата. Для подтверждении гипотезы проведено компьютерное моделирование пространственного распределения

электрического поля и поля директора в ПЖК. Для моделирования применялся метод конечных разностей.

1«!) 1-2/Г

Смещение, мкм

Рисунок 2. (а) Динамика движения микрочастицы между электродами. Т - 25 "С. (б) Зависимость средней скорости движения микрочастицы от ее положения относительно электродов. I¡попарная ориентация (р= -90", форма сигнала прямоугольная, / = 0,1 Гц, амплитуда напряжения 60 В, Т - 40 °С, г 2 мкм.

Анализ результатов моделирования показал, что в области около электрода электрическое ноле и поле директора пространственно неоднородны. Такие искажения полей вызывают возникновение дополнительных сил: диэлсктрофоретичсской силы (Р,)ЕГ) и силы упругого захвата (1;Е.Г1;), влияющих на динамику движения частицы. Силы, действующие па частицу вблизи электрода, а также распределение электрического поля и поля директора показаны на рис. 3.

Рисунок 3. Схема сил, действующих на микрочастиц)' в зависимости от положения между электродами, а также распределение электрического поля и поля директора. На рисунке отмечены Рврн электрофоретическая, Рцрр диэлектрофоретическая сипы, Рцц. сша упругого захвата и сила

Стокса.

что скорость движения микрообъекта в результате действий

11ЖК-

Т Р=1; +Т

1 1НРП 1 ЙК1> 1 !:

1 КРП ' ЙЕР ' 1

Показано.

электрофорстичсской силы (1-№и), диэлектрофоретической силы (1;ПЕР), силы Стокса () и силы упругого захвата (]'ЕГ1..) при приближении к электроду увеличивается (рис.

3), в то время как при удалении - уменьшается. Приведены оценки значений элсктрофоретической, диэлсгпрофорстичсской сил и силы упругого захвата.

Экспериментально показана возможность оценки значений электрокинстичсских сил, действующих на микрочастицу, с помощью оптического пинцета. Исследована динамика частицы в зависимости от ее положения между электродами под действием переменного элеирического поля (рис. 4) и рассчитаны значения Ри,;; и Рит.

Рисунок 4. Зависимость амплитуды приложенного напряжения V

электрического поля, при которой микрочастица покидает оптическую ловушку, от положения частицы в зазоре между электродами. Р~31 мВт, / = 1 Гц, форма сигнала прямоугольная, 7' = 40оС, г = 2 мкм.

Продемонстрировано, что при данных экспериментальных условиях (частота 0,5-30 Гц, амгшпуда напряжения 10-40 В) частица движется под действием линейного электрофореза.

Показано, что возле электродов частица подвержена влиянию дополнительных механизмов, так как требуется более слабое электрическое ноле для перемещения объекта из оптической ловушки, что подтверждает результаты, полученные с помощью метода анализа скоростей (рис. 26).

Представлены результаты оценки электрокинетических сил, действующих на микрочастицу. Силы оценены из уравнения баланса сил, действующих на частицу в оптической ловушке ^т+Кет1+Р№Р+РЕТ|г+Ги=0, где К1Т - сила захвата оптической ловушки (так как число Рейнольдса значительно меньше 1).

В середине зазора между электродами влияние диэлеетрофоретической силы и силы упругого захвата на частицу отсутствует из-за нулевых градиентов, как электрического поля, так и поля директора. Захваченный в оптическую ловушку объект находится в покое, следовательно тогда из уравнения баланса сил ¡'[Т+РШ1~0 следует я=Ри/Е, где я - эффективный поверхностный заряд. Значения эффективного заряда и скорости движения частицы в электрическом поле (при

Смещение, мкм

отсутствии оптической ловушки) позволяют оценить текучую вязкость НЖК: FS1+FEPH=0, T|=qE/(6jrrv), ц*гг к (21,2±4,7)xlOJ Па с, также значение эффективного поверхностного заряда микрочастицы q=2,lxlo"Kn. Полученные данные текучей вязкости НЖК хорошо согласуются в пределах погрешности с данными, предоставленными производителем.

Используя выражение (3), приведена оценка значения линейной электрофоретической подвижности ц(" для случая слабого электрического поля:

ц<'>=-S-. (3)

6лТ|Г

Для q»2,lxl0"toi, =0,054Па'С и ^=0,08Па-с (Т=20"С), г=2 мкм линейная электрофоретичсская подвижность вдоль направления директора ЖК и перпендикулярно равна ц1,1'»10"мУ(В*с) и »7х10~|2мУ(Вхс), соответственно.

Представлены результаты оценки значения Fra.:p, действующей на частицу на расстояниях от 10 мкм до 40 мкм от электродов. Значение силы определялось с помощью выражения:

pLT+fEPH+FDCP=0- W

Значения FDEP на расстоянии 40 мкм, 30 мкм, 20 мкм, 10 мкм, от электродов составляет 0,27 nil, 0,73 nil, 1,32 пН, 2,16 nil, соответственно.

Показано, что измерение FtTF при данных условиях эксперимента практически неосуществимо вследствие нагрева и разупорядочения молекул НЖК вокруг поверхности микрообъекта из-за сильно сфокусированного лазерного пучка. Толщина разориентированного слоя НЖК составляет порядка нескольких микрометров, что сопоставимо с областью действия силы упругого захвата.

В заключительной части главы показано, что при малых размерах частиц (г«1 мкм) влиянием на дииамику движения микрочастицы диэлектрофоретической силы и силы упругого захвата можно пренебречь.

В четвертой главе представлены экспериментальные результаты анализа скоростей движения микрочастицы под действием внешнего электрического поля. К исследуемым ячейкам прикладывалось биполярное напряжение с прямоугольной, синусоидальной и треугольной формами сигнала, с частотой в диапазоне от 0,5 Гц до 10 Гц и амплитудой, изменяющейся в пределах от 10 В до 160 В, скважность сигнала была постоянной и равной 50%.

Обнаружена нелинейная (кубическая) зависимость скорости движения объекта от значения амплитуды напряжения. Даная кубическая зависимость объяснена в рамках теории нелинейного электрофореза [9,10] и показывает, что поверхностный эффективный электрический заряд (дзета-потенциал) микрочастицы зависит от квадрата напряженности приложенного поля q ос Ег (рис. 5).

37

Е3,(В/м)3

б)

0,0 5,0х10и 1,0x1012 1.5x10" 2-0х10'3

Е2, (В/м)2

Рисунок 5. (а) Зависимость средней скорости движения микрочастиц от Е'; (б) зависимость ¿¡-потенциала от Е1. Форма сигнала прямоугольная, /-0,5Гц, Т = 25 °С, г = \мкм.

В теории [9] показано, что данная функциональная зависимость возникает в результате действия двух сил. Первая сила появляется вследствие кулоновского взаимодействия внешнего электрического поля с индуцированным зарядом тонкого двойного электрического слоя, окружающего микрочастицу. Величина индуцированного заряда определяется выражением:

Ч1=6етеоЛЕ*Г3

п(п+)21>и2

(5)

квТ (п++п-)г(0и+(О1)2'

где Ои=оР/(о1Сг) - число Духина, ^пЧУДпЧУ-гп"!)"), О*, л4 - коэффициент диффузии и концентрация положительных и отрицательных ионов, соответственно, Т - температура, кв- постоянная Больцмана, £т - комплексная диэлектрическая проницаемость НЖК, е - заряд электрона, Е - напряженность приложенного электрического поля.

Вторая сила связана с взаимодействием электрического поля и индуцированного заряда ионов, находящихся в объеме НЖК материала за пределами двойного слоя:

п*пТ)и (6)

Ч2=2татЕпЕ г'

квТ (п*+п")(13и+1.+)'

Данная сила действует на жидкий кристалл на расстоянии сравнимом с радиусом микрочастицы. Воздействие осуществляется посредством гидродинамических и вязкоупругих сил, возникающих в окружающем микрочастицу жидкокристаллическом слое. Таким образом, скорость движения микрообъектов под действием внешнего электрического поля осуществляется благодаря двойному слою и зарядам, находящимся в объеме, и определяется выражением ^=^Ега/(^гг'?г)=ЧЕ/(бл17г)=я(Ё2)Ё/(б7П7г) = ц<,,Е'. В таком случае нелинейная электрофоретическая подвижность может быть записана как:

квТц ,х ' (1+20и)

Используя экспериментальные данные, рассчитана нелинейная

электрофоретическая подвижность ц1'*. В соответствии с формулой (7) для ячейки с

планарной ориентацией НЖК (еьс = 11,7, Т=300 К) ц1" ~ 2x10юм4/(в3хс).

Оценено значение нелинейной электрофоретической подвижности

микрочастицы цс"=(у)Де'У Показано, что подвижность не зависит от формы сигнала

за полупериод колебания электрического поля:

т

(8)

I о

где Т - период колебания электрического поля. В случае биполярного прямоугольного сигнала импульса среднее значение скорости движения микрообъекта за полупериод колебания электрического поля имеет вид Е3,

биполярного треугольного сигнала импульса - {у™1)=ц||,к3/'1 и для биполярного синусоидального - (у^^И^В1 /(3-я). Зависимость средней скорости движения (у) от среднего значения куба напряженности (е") за полупериод колебания электрического поля представлена на рис. 6. Анализ функциональных зависимостей показывает, что нелинейная электрофоретическая подвижность практически одинакова для всех форм сигнала приложенного напряжения и приблизительно равна ц<3,*5х10-22мУ(в'хс).

е

Ои1 (7)

Рисунок б. Зависимость средней скорости движения микрочастицы от среднего значения куба напряженности электрического поля для прямоугольной (и), синусоидальной (•) и треугольной (к.) форм сигнала, / = 0,5 Гц, пленарная ориентация <р-0", Т = 25 "С, r = 1 мкм.

<EJ>, (В/мУ

Экспериментально исследована зависимость скорости движения объекта от ориентации жидкокристаллической ячейки. Анализ полученной зависимости показал, что максимальная скорость объекта достигается в планарно ориентированном образце, когда директор НЖК ориентирован параллельно приложенному электрическому полю, минимальная - в гомеотропно ориентированной ячейке, когда директор направлен перпендикулярно стеклянным подложкам (рис. 7).

НЖК является анизотропным материалом, и его эффективная вязкость определяется угловой ориентацией директора, описанная уравнением т]{в,<р) = 77г sinJ Осоъ1 (р + 7, cos2 0 + 1, sin2 sin2 q>, где <р - угол между директором ЖК и приложенным электрическим полем Е, 0 — угол между директором и нормалью z к ячейке; 11, =)](Э=90",^=90°) - коэффициент вязкости, соответствующий директору НЖК, ориентированному планарно перпендикулярно направлению действия поля, г|2=г)(0=90",9=0°) - коэффициент вязкости, соответствующий планарной ориентации НЖК, когда директор параллелен приложенному внешнему полю Е, ti,=t|(8=0") -коэффициент вязкости, соответствующий директору НЖК ориентированному гомеотропно, перпендикулярно к подложкам ячейки. Коэффициенты Т1,,г|г ит|, находятся в следующем соотношении l,>ilj>Tl2 ■

Показано, что скорость движения микрочастиц в НЖК определяется анизотропией текучей вязкости и диэлектрической проницаемости. Экспериментально полученные отношения скорости движения микрочастиц в

планарно и гомеотропно ориентированных ячейках равно

' 1,9,

pt.r-*x>*

-»1,2,

pl.f-Vf

>1,5. Расчетное соотношение скоростей движения частиц для пленарных и

гомеотропно ориентированных . образцов равно ^ _ ..3, _=£¿31^08»

Рисунок 7. Зависимость средней скорости движения микрочастиц от напряженности электрического поля, когда директор ориентирован планарно <р--0° (ш), ¡р - 45" (•), р = 90° (*■) и гомеотропно 0=0° (У), форма сигнала прямоугольная, f = 0,5 Гц, Т = 25 °С , г = 1 мкм.

Проиллюстрировано, что во всех ориентированных образцах НЖК наблюдается явление нелинейного электрофореза.

Температура может значительно изменить двойной электрический слой и, как следствие, динамику движения микрочастицы. Из рис. 8 видно, что д'" значительно возрастает с температурой до температуры точки просветления (84 °С), достигая значений и 1x10ю, о,6х10"г" м4Дв3хс) для планарной р=о° и гомеотропной ориентации НЖК ячейки соответственно.

Рисунок 8. Зависимость нелинейной электрофоретической подвижности от температуры для планарной р=0° (ш) и гомеотропной (*) ориентаций.

20 30 40 50 60 70 «0 90 100 Температура, "С

При температуре, превышающей точку просветления, значение нелинейной электрофоретической подвижности падает до 1021 мУ(в3хс|. Данное поведение

объяснено значительным уменьшением (результирующего) суммарного заряда в двойном электрическом слое вследствие теплового движения ионов, а также теплового разложения материала меламина. Оценено время формирования двойного

Т/Яг-О'

5,0x10 1,0x10 1,5x10

электрического слоя (тм). В соответствии с формулой Шварца, тЛс[ составляет около 0,05 с, которое соответствует критическому значению частоты Г-1/^=20 Гц. Экспериментально показано, что частота, при которой движение частиц затухает, составляет »10 Гц. Полученные экспериментальные и теоретические оценки находятся в хорошем согласии.

Основные результаты и выводы. I. С помощью метода диэлектрической спектроскопии и электроопгических измерений определены физические свойства нематического жидкого кристалла МЬСбООЗ, а также свойства коллоидного раствора НЖК/микрочастицы. Анализ результатов измерений показал, что диэлектрические и элсктрооптичсские свойства коллоидного раствора и чистого материала НЖК идентичны, полученные отличия не превышают значения экспериментальной ошибки.

II. Исследована динамика движения диэлектрических микрочастиц под действием сильного (0,1 < Е < 1,6 В/мкм) знакопеременного электрического поля в тематическом жидком кристалле. Обнаружена нелинейная зависимость средней скорости Движения микрочастиц у=ц,,'Е' от напряженности приложенного электрического поля. Данная зависимость объяснена в рамках модели нелинейного электрофореза. Экспериментально оценено значение нелинейной электрофоретической подвижности ц01 =5х10'ам4Дв'хс) (в ячейке с планарной ориентацией р=о°).

III. Исследована динамика движения микрочастицы в ячейке с планарной ориентацией, когда угол между директором ЖК и приложенным электрическим полем составляет <р = <т, ¡р=45", р - 90% и гомсотропной ориентацией, где директор НЖК направлен перпендикулярно стеклянным подложкам. Показано, что максимальная скорость достигается при движении микрообъекта в планарно ориентированной ячейке (<¡>=0°), минимальная - в гомеотропно ориентированной (у'"0' >\/'~"~ >\,мг >\1"т). Данная зависимость объяснена влиянием анизотропией текучей вязкости и диэлектрической проницаемости НЖК (X. _ 51к).

V2

IV. Проведено компьютерное моделирование распределения электрического поля и поля директора НЖК в ячейке с планарными электродами. Показано, что вследствие неоднородного распределения электрического поля, возникают

дополнительные электрокинетические механизмы, ответственные за движение диэлектрических микрочастиц: диэлектрофорез и сила упругого захвата. V. С помощью метода оптического захвата определено значение линейной электрофоретической подвижности диэлектрических микрочастиц вдоль и перпендикулярно направлению директора НЖК nj" «10"" м2/(В*с) и и7х10"12м2/(Вхс), соответственно. Оценено значение эффективного поверхностного заряда микрочастицыч«2,1х10'пКл и эффективной текучей вязкости НЖК в направлении движения микрочастицы tik(2132±.4,7)x10"1 Пас (Т=40 °С). Оценены значения электрофоретической и диэлектрофорстической сил. Feph=5,1 пН, Fdep я 0,27 пН, 0,73 пН, 1,32 пН, 2,16 пН на расстоянии 40 мкм, 30 мкм, 20 мкм, 10 мкм от электродов, соответственно. В приложении приведен расчет силы оптического захвата. Представленные выражения позволяют оценить силы, действующие на частицу, как вдоль оси распространения пучка, так и перпендикулярно ему. На основе представленных выражений автором написана программа, рассчитывающая силы в зависимости от условий эксперимигга.

Список публикаций по теме диссертации:

1*. Ryzhkova, A.V. Nonlinear electrophoretic motion of dielectric microparticles in nematic liquid crystals / A.V. Ryzhkova, F.V. Podgornov, W. Haase // Appl. Phys. Lett. -2010,-V.96, № 15.-P.151901.

2*. Рыжкова, A.B. Управление двумерным движением микрочастиц в нематическом жидком кристалле / A.B. Рыжкова, Ф.В. Подгорнов, W. Haase // Ж. Краткие сообщения по физике, ФИАН. - 2009. - Т. 36, № 12. - С. 47 - 49. 3*. Haase, W. Нелинейное движение диэлектрических микрочастиц в нематическом жидком кристалле под действием сильного электрического поля / W. Haase, Н.Д. Кундикова, Ф.В. Подгорнов, A.B. Рыжкова // Ж. Краткие сообщения по физике, ФИАН. - 2009. - Т. 36, № 12. - С. 43 - 46.

4*. Рыжкова, A.B. Электрокинетические явления в нематических жидких кристаллах / A.B. Рыжкова, Ф.В. Подгорнов, W. Haase // Наука ЮУрГУ: материалы 62-ой научной конференции. Секции естественных наук. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ. -2010.-С. 140-144.

5*. Ryzhkova, A.V. On mechanism of the electromigration of dielectric microparticles in nematics liquid crystals / A.V. Ryzhkova, F.V. Podgornov, W. Haase // Proc. 37 Arbeitstagung Fltlssigkristalle ('Topical Meeting on Liquid Crystals') 1-3 April 2009, Stuttgart, Germany, P39.

Список цитируемой литературы

[1] Zhao, Y. Microparticle concentration and separation by traveling wave dielectrophoresis (tvvDEP) for digital microfluidics / Y. Zhao, U.-C. Yi, S.K. Cho // J. Microelectromech. Systems. - 2007.-V.I6.-P. 1472-1481.

[2] Huang, C. Design and fabrication of an automated microchip-based cell separation device / C. Huang, Yu J., J. Zhu, L. Wang, M. Guo // Anal. Lett. - 2007. - V.63. - P.763-778.

[3] Kohlheyer, D. Miniaturizing free-flow electrophoresis - a critical review / D. Kohlheyer, J.C.T. Eijkel, A. Berg, R.B.M. Schasfoort // Electrophoresis. - 2008. - V.29. - P. 977-993.

[4] Sakata-Sogawa, K. Direct measurement of DNA molecular length in solution using optical tweezers: detection of looping due to binding protein interactions / K. Sakata-Sogawa, M. Kurachi, K. Sogawa, Y. Fujii-Kuriyama, H. Tashiro //Eur. Biophys. J. - 1998. - V.27, №1. - P. 55-61.

[5] Skarabot, M. Transport and crystallization of colloidal particles in a thin nematic cell / M. Skarabot, U. Tkalec, I. Musevic // Eur. Phys. J. E. - 2007. - V.24. - P.99-107.

[6] Lavrentovich, O.D. Nonlinear electrophoresis of dielectric and metal Spheres in a nematic liquid crystal / O.D. Lavrentovich, I. Lazo, O.P. Pishnyak // Nature. - 2010. -V.467. - P.947-950.

[7] Humar, M. Electrically tunable liquid crystal optical microresonators / M. Humar, Ravnik, M. Pajk S„ I. Musevic // Nature Photonics. - 2009. - V.3. - P. 595 - 600.

[8] Skarabot, M. Direct observation of nanoparticles in a nematic liquid crystal / M. Skarabot,I. Musevic // Soft Matter.-2010.-V.6.-P. 5476-5481.

[9] Barany, S. Study of nonlinear electrophoresis / S. Barany, F. Madai, V. Shilov // Prog. Colloid Polym. Sci. - 2004. - V.128. ~ P. 253-261.

[10] Barany S. Electrophoresis in strong electric fields / S. Barany // Adv. in Col. and Int. Sci. -2009.-V. 147-148. -P. 36-43.

Подписано в печать 12.01.11. Формат 60x84 1/16. Печать офсетная. Усл. печ. л.1,17. Уч-изд. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ 141.

Отпечатано в центре оперативной полиграфии «Профессорский» 454000 г. Челябинск, ул. Энтузиастов, 5

Введение

1 Управление движением микрочастиц в конденсированных 21 средах. Обзор литературы

1.1 Мезофазные материалы и их классификация

1.1.1 Нематические жидкие кристаллы

1.1.2 Химическое строение жидких кристаллов

1.1.3 Физические свойства жидких кристаллов

1.1.3.1 Параметр порядка

1.1.3.2 Упругие свойства

1.1.3.3 Реологические свойства

1.1.3.4 Диэлектрические свойства

1.1.3.5 Электропроводность

1.1.3.6 Оптические свойства

1.1.3.7 Способы ориентации ЖК

1.2 Способы управления движением коллоидов в 31 конденсированных средах

1.2.1 Электрокинетические явления в конденсированных 33 средах

1.2.1.1 Электрофорез 35 1.2.1.1.1 Электроосмос

1.2.1.2 Нелинейные электрокинетические явления

1.2.1.2.1 Нелинейный электрофорез

1.2.1.2.2 Диэлектрофорез

1.2.1.3 Электрокинетические явления в жидких 48 кристаллах

1.2.2 Оптический захват микрочастиц в конденсированных 52 средах

1.2.2.1 Оптический захват микрочастиц в жидких 55 кристаллах

Методы управления движением частиц и молекул с помощью внешних электрических, магнитных и механических полей известны достаточно давно, однако всплеск интереса к этой области возник с бурным развитием микро - и нанотехнологий. Пространственное управление движением частиц нашло широкое применение в биотехнологиях и фармацевтике для исследования органических систем, селективного разделения многокомпонентных биологических и аналитических материалов, в нано- и микрожидкостных устройствах, дисплейных технологиях [1-3], а также в их приложениях для определения реологических свойств жидких сред, биологических клеток, ДНК [4,5]. Наиболее широкое распространение получили два метода манипуляции объектами. Первый метод заключается в управлении их движением с помощью внешнего электрического поля. Второй метод состоит в перемещении объекта с помощью лазерного излучения, так называемых лазерных пинцетов.

Как правило, любая система, предназначенная для управления микрочастицами с помощью электрического поля, состоит из набора структурированных электродов. Наиболее распространенными электрокинетическими явлениями, возникающими в электрических полях, являются электрофорез, диэлектрофорез и электроосмос. Наиболее интересные и важные для практического применения электрокинетические явления должны возникать в сильных электрических полях. В настоящее время они мало изучены, а общая теория, описывающая их, не предложена [6].

Сегодня исследованиям движения микро- и наночастиц, диспергированных в жидких анизотропных средах, таких как жидкие кристаллы (ЖК), растворы полимеров, ДНК, уделяется повышенное внимание. Данный интерес обусловлен возможностью управления параметрами ЖК с помощью внешнего электрического поля, а также особым характером взаимодействия между коллоидными частицами, вследствие которых возникают стабильные организованные коллоидные структуры. Разработки методов управления движением микро- и наноколлоидов найдут широкое применение для создания фотонных кристаллов на основе упорядоченных трехмерных и двумерных коллоидных структур в жидкокристаллическом материале [7], в дисплейных технологиях, в качестве электронной бумаги [8] и в микрожидкостных приложениях. Перспективным направлением также является исследование управления движением жидкокристаллических коллоидов, на базе которых создаются перестраиваемые оптические микрорезонаторы [9]. На основе данных элементарных устройств возможно формирование сложных фотонных цепей (photonic circuits) [10].

На настоящий момент опубликовано всего несколько работ, посвященных исследованию движения микро- и наночастиц в жидких кристаллах (ЖК) под действием внешнего электрического поля. Это связано с тем, что динамика движения частиц в жидком кристалле значительно сложнее по сравнению с движением частиц в изотропных средах. В ЖК, помимо известных электрокинетических явлений, могут возникать дополнительные эффекты, связанные с анизотропией структуры, например, обратный поток, электрогидродинамические неустойчивости.

На основе результатов, полученных при анализе скорости движения частиц, авторы работы [И] предположили, что во внешнем электрическом поле в микроканале, заполненном коллоидным раствором нематического жидкого кристалла с микро- или наночастицами, движение вызвано явлением диэлектрофореза. В то же время, в системе с аналогичной геометрией электродов, в работе [12] наблюдалось электрофоретическое движение. В статье [13] было высказано предположение, что основными эффектами, влияющими на динамику движения диэлектрических микрочастиц, являются электростатическое взаимодействие электрического поля с поверхностным зарядом частицы и вращение микрочастиц, вызванное эффектом Квинки. В статьях [14, 15] в качестве основных движущих механизмов предложены диэлектрофорез и упругое взаимодействие. Как видно из анализа вышеуказанных работ, до настоящего времени нет сложившегося представления о природе сил, управляющих движением коллоидных частиц в жидких кристаллах.

Очевидно, что для исследования механизмов электромиграции частиц в ЖК, одного метода анализа скорости движения частиц недостаточно. Для решения данной задачи необходимо применять комплексный подход, включающий в себя как экспериментальные исследования с помощью метода анализа скорости движения, оптического захвата движущихся коллоидных частиц, диэлектрических и электрооптических измерений, так и компьютерного моделирования.

Цель настоящей работы - экспериментальное исследование динамики электромиграции диэлектрических микрочастиц в нематическом жидком кристалле под действием внешнего знакопеременного электрического поля.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) разработать нематическую жидкокристаллическую ячейку со структурированными электродами, а также создать коллоидный раствор НЖК-микрочастицы и исследовать его электрооптические и диэлектрические свойства;

2) исследовать зависимость динамики движения диэлектрических микрочастиц от величины амплитуды, частоты и формы сигнала приложенного электрического поля, ориентации директора НЖК, а также геометрического положения микрочастиц;

3) экспериментально измерить силы, действующие на микрочастицу, и исследовать возможность количественного определения реологических параметров НЖК.

Основное содержание работы.

Диссертация состоит из четырех глав, каждая из которых начинается с короткого введения и оканчивается заключением.

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы цели и задачи, указана научная новизна, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведена классификация и описаны физические свойства жидких кристаллов. На основе обзора литературы рассмотрены способы управления движением микрочастиц с помощью внешнего электрического поля, а также с помощью лазерных пинцетов. Показано, что в зависимости от постановки задачи, например, трансляционного перемещения объекта или, изучения вязкоупругого отклика материала, применяют разные методики.

В обзоре литературы рассмотрены основные электрокинетические явления и их применение в современных технологиях. Подробно описаны явления, а также механизмы возникновения электрофореза, диэлектрофореза, нелинейных электрокинетических эффектов. Показано, что в системе со сложной конфигурацией электродов, возможно возникновение нескольких электрокинетических эффектов одновременно.

В первой главе также описан механизм управления движением частиц в конденсированных средах с помощью оптических ловушек. Рассмотрены некоторые классы пучков, обладающих уникальными свойствами по сравнению с гауссовым пучком. Представлены способы измерения текучей вязкости материала.

При обзоре литературы продемонстрировано, что электрокинетические явления в анизотропных средах представляют большой научный и технологический интерес для разработки методов управления движением нано-и микрочастиц. В то же время исследования в данной области находятся на начальном этапе.

Анализ литературы показал, что комплексного исследования электрокинетических явлений в жидких кристаллах одновременно с помощью двух методов, а именно анализа скоростей движения объекта и оптического захвата, не проводилось.

Во второй главе описаны экспериментальные методики, используемые для исследования динамики движения микрочастиц под действием внешнего переменного электрического поля, оптического захвата микрочастицы, а также технология изготовления ЖК ячеек и методы характеризации исследуемых образцов.

Разработана и предложена конфигурация жидкокристаллической ячейки, позволяющая применять две методики одновременно: исследовать характер движения микрообъектов под действием внешнего электрического поля, а также осуществлять оптический захват. Усложнение структуры ячейки связано с тем, что рабочее расстояние объектива, используемого для оптического захвата, составляет порядка 180 мкм, в то время как толщина стекол с проводящим слоем индиево-оловянного оксида (ПО) равно 800 мкм. Вследствие этого верхняя подложка ячейки была изготовлена из покровного стекла, толщина которого 160 мкм, а электроды сформированы на нижней подложке с помощью фотолитографического метода. Электроды представляли собой прямоугольные полоски, ориентированные параллельно друг другу. Расстояние между электродами составляло 100 мкм, ширина электрода - 2 мм, длина - 20 мм.

Представлено описание экспериментальной установки, созданной для исследования динамики движения микрочастиц. Установка состояла из поляризационного микроскопа, ячейки, подключенной к усилителю сигнала, генератора импульса, осциллографа и видеокамеры. Такая схема позволяла исследовать характер движения частиц и оценивать скорость перемещения микрообъектов в зависимости от формы, частоты и амплитуды приложенного сигнала.

Описана методика измерения текучей вязкости материала, также электрических параметров микрочастицы (эффективного поверхностного заряда, электрофоретической подвижности). Представлено описание созданной экспериментальной установки, состоящей из Аг лазера, диэлектрического и поворотных зеркал, микроскопа, видеокамеры, ячейки, подключенной к усилителю сигналов, генератору импульсов и осциллографу и расположенной на микро- и наноподвижках.

Для оценки параметров микрочастицы и НЖК, частица захватывалась в лазерную ловушку и подвергалась действию со стороны электрического поля. Из баланса силы оптического захвата и электрокинетических сил, действующих на микрочастицу, определялись искомые величины.

В заключении главы представлены методы определения погрешностей измерений.

В третьей и четвертой главах представлены основные экспериментальные результаты.

В третьей главе содержатся результаты экспериментального исследования характера движения частицы в зазоре между электродами. Продемонстрировано, что основным механизмом, приводящим частицы в движение, является электрофорез. Показано, что на равноудаленном расстоянии от электродов (около 50 мкм) частица движется равномерно и прямолинейно, в то время как на расстоянии около 20 мкм от электрода частица движется ускоренно.

Приведены результаты компьютерного моделирования распределения электрического поля и поля директора в НЖК ячейке. Анализ результатов показал, что на расстоянии порядка 20 мкм от электрода электрическое поле и поле директора ЖК пространственно неоднородны. Такие искажения полей. вызывают появление дополнительных сил, действующих на частицу: диэлектрофоретической силы и силы упругого захвата. В соответствии с полученными экспериментальными и теоретическими результатами предложена модель, объясняющая особенности движения микрочастиц под действием внешнего электрического поля.

Экспериментально исследовано поведение микрочастиц, захваченных в оптическую ловушку под действием внешнего электрического поля. Оценены значения электрокинетических сил, действующих на микрочастицу. А именно: измерены значения электрофоретической силы и диэлектрофоретической силы. Оценено значение линейной электрофоретической подвижности вдоль направления директора НЖК и перпендикулярно ему «10""м2/(схВ), и 7х 10"12м2/(Вхс), соответственно, а также эффективного поверхностного заряда микрочастицы qк2,l><10'17Kл. Оценено значение эффективной текучей вязкости НЖК в направлении параллельном электрическому полю Ле£Г«(21,2±4,7)хЮ"3 Па-с (Т=40°С). Полученные значения текучей вязкости НЖК согласуются в пределах погрешности с данными, предоставленными производителем Г|ей. » 80 х 10"3 Па • с (Т=20 °С ).

Оценено влияние размера частицы на динамику электромиграции микрочастицы в НЖК. Показано, что при малых размерах частиц (порядка 1 мкм) влиянием на динамику движения микрочастицы диэлектрофоретической силы и силы упругого захвата можно пренебречь.

В четвертой главе представлены результаты исследования динамики движения диэлектрических микрочастиц в НЖК под действием внешнего биполярного знакопеременного электрического поля.

Обнаружена нелинейная (кубическая) зависимость средней скорости движения объекта от напряженности электрического поля за полупериод колебания. Данная кубическая зависимость объяснена в рамках теории нелинейного электрофореза [16, 17] и показывает, что поверхностный эффективный электрический заряд (дзета-потенциал) микрочастицы зависит от квадрата напряженности приложенного поля я сс Е2 (Рерн=яЁ=я(Ё2)ЕосЁ3). Экспериментально получено значение нелинейной электрофоретической подвижности микрочастицы ц(3)=(у)Де3^, показано, что за полупериод колебания электрического поля ее величина не зависит от формы приложенного напряжения и принимает значение ц(3) « 5 х 10~22 м4/(в3 х с).

Экспериментально исследована зависимость скорости движения микрочастицы в НЖК ячейках с планарной (когда угол между директором и электрическим полем составляет (р=0°, ср—45° и <р=90°) и гомеотропной ориентацией. Анализ полученной зависимости показал, что максимальная скорость микрочастицы достигается в планарно ориентированном образце, когда директор НЖК ориентирован параллельно электрическому полю, минимальная - в гомеотропно ориентированной ячейке, когда директор направлен перпендикулярно стеклянным подложкам. Данная зависимость объяснена влиянием анизотропии текучей вязкости НЖК и диэлектрической проницаемости. Проиллюстрировано, что во всех ориентированных образцах НЖК наблюдается явление нелинейного электрофореза.

Исследовано влияние температуры на значение нелинейной электрофоретической подвижности. Показано, что подвижность частицы возрастает с увеличением температуры до точки просветления вследствие уменьшения вязкости НЖК. При температуре выше точки просветления подвижность падает вследствие изменения заряда в двойном электрическом слое (ДЭС) из-за теплового движения ионов, а также теплового разложения материала микрочастицы (меламин-формальдегид резин).

Оценено время формирования ДЭС (тис|). В соответствии с формулой Шварца время задержки принимает значение т(1е1 и 0,05 с, которое соответствует критическому значению частоты 1=1/т^,=20Гц. Экспериментально показано, что частота, при которой колебательное движение частиц затухает, составляет «10 Гц. Полученные экспериментальные и теоретические оценки находятся в хорошем согласии.

В заключении сформулированы основные научные результаты.

В приложении приведен расчет силы оптического захвата. Полученные выражения позволяют оценить силы, действующие на частицу как вдоль оси распространения пучка, так и перпендикулярно ему. На основе полученных выражений написана программа, позволяющая рассчитать силу оптического захвата в зависимости от экспериментальных условий.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Под действием сильного переменного электрического поля диэлектрические микрочастицы, диспергированные в нематическом жидком-кристалле, перемещаются вдоль направления электрического* поля. Среднюю скорость движения микрочастицы V за полупериод колебания можно разложить в ряд по нечетным степеням напряженности электрического поля Е, у=ц(1)Е+ц(3)Е3, где ц(1) и р.(3)- линейная и нелинейная электрофоретические подвижности, которые не зависят от Е. Характер движения частицы определяется толщиной двойного электрического слоя. Для диэлектрической сферической микрочастицы диаметром (1=2 мкм он составляет 1Е0Ь »190 нм. В соответствии с теорией [16] для тонкого двойного электрического слоя (с!»1ЕОЬ ) реализуется режим нелинейного электрофореза (у=р.(3)Е3).

2. При приложении к НЖК ячейке (толщиной 20 мкм) электрического поля (с амплитудой от 0,1 хЮ6 В/м до 1,6* 10б В/м, частотой 0,5 Гц) различной формы (прямоугольной, синусоидальной и треугольной) сигнала средняя скорость движения частиц зависит как от формы управляющего сигнала, так и от его амплитуды. Максимальная скорость движения частицы достигается при приложении напряжения прямоугольной формы, минимальная - при треугольной vrec>vsm>vtri, где vrec, vsmH vtri-скорость движения микрочастицы при прямоугольном, синусоидальном и треугольном сигналах.

Нелинейная электрофоретическая подвижность микрочастиц ц(3)=(у)Де3^, вычисленная как функция среднего за полупериод приложенного переменного электрического поля, не зависит от его формы и равна ц(3) и 5 х 10"22 м4/(в3 х с).

Скорость движения частиц зависит от ориентации НЖК. Максимальное значение средней скорости движения достигается при планарной ориентации

НЖК, когда директор ориентирован параллельно электрическому полю Vя''^ , минимальная - при гомеотропной ориентации НЖК vhom, когда директор перпендикулярен стеклянным подложкам: vp/,?'=0° > > ур'-^90" > vhom, где ypi,<p=45° планарная ориентация, когда угол между директором и электрическим полем равен 45°, , планарная ориентация, когда директор перпендикулярен направлению электрического поля.

3. Доминирующей силой, приводящей частицу в движение, является электрофоретическая сила FEPH. Кроме электрофоретической силы, на динамику движения объекта на расстоянии порядка 20 мкм от электродов оказывают влияние диэлектрофоретическая сила FDEP и сила упругого захвата F

ETF *

Скорость движения частиц зависит от их пространственного положения в зазоре между электродами. В областях около электродов скорость частицы увеличивается, в то время как в середине зазора скорость движения постоянная. Около электродов скорость движения частицы определяется выражениями: у. дБ | гьсЕ0К^т]т2УЕ2 { Кг2 ^ (1) бпцг Зг| б71Г1^3 дБ еьсе0Ке|Тт]г2УЕ2 Кг2 (2)

V " —" ' — Г" 5

6лт|Г Зт| где я - заряд частицы, Гт- фактор Клаузиуса-Моссотти. Действительная часть фактора Клаузиуса-Моссотти зависит от частоты электрического поля. Если частота меньше критической частоты, равной частоте Максвелл-вагнеровской релаксации £=—СТр+^Р'-с—, тоЯе[^]= ^ а'с . В противном случае гтгеоСвр+ге^) действительная часть фактора Клаузиуса-Моссотти имеет вид: в -8

Ке[^]=—-——, где с - электропроводность микрочастицы, сг[С -ер+2еи; электропроводность жидкого кристалла; ер,еьс - диэлектрическая проницаемость микрочастицы и жидкого кристалла, соответственно; г — радиус микрочастицы; г| - текучая вязкость НЖК; К- постоянная Франка; — размер области неоднородной ориентации НЖК около электродов. Выражение (1) соответствует значению скорости микрочастицы, когда она находится около отрицательно заряженного электрода в области действия диэлектрофоретической силы и силы упругого захвата. Выражение (2) соответствует значению скорости движения частицы, которая находится у положительно заряженного электрода.

Область действия силы упругого захвата РЕТК для исследуемых условий составляет порядка 20 мкм от электродов. Величина и область, действия диэлектрофоретической силы РПЕР зависит от диэлектрических параметров среды и частицы, ее радиуса, а также от пространственной неоднородности электрического поля. В условиях проводимого эксперимента (частиц радиусом 2 мкм) область действия РПЕР равна «40 мкм от каждого электрода. За пределами данной области на частицу действует только электрофоретическая сила и сила Стокса.

С помощью метода оптического захвата определены значения электрофоретической и диэлектрофоретической сил, действующих на диэлектрическую микрочастицу диаметром d=4 мкм. Исследования проводились для ячейки толщиной 20 мкм, мощность лазерного излучения составляла 31 мВт, длина волны излучения 488 нм, температура 40 °С. Значения диэлектрофоретической силы, действующей на микрочастицу на расстоянии 40 мкм, 30 мкм, 20 мкм, 10 мкм от электродов составляет 0,27 пН, 0,73 пН, 1,32 пН, 2,16 пН, соответственно. Значение электрофоретической силы равно Feph=5,1 пН. Определены эффективный заряд микрочастицы q « 2,1><10",7Кл и эффективная текучая вязкость НЖК в направлении, перпендикулярном директору rieff =(21,2±4,7)х I О'3 Па - с.

Личный вклад. Автором разработана экспериментальная техника и методики проведения экспериментов по изучению электрокинетических явлений и оптического захвата микрочастиц в жидких кристаллах. Исследована динамика движения коллоидов (меламин-формальдегид резин), а таюке оценены параметры жидкости (текучая вязкость) и частицы (линейная и нелинейная электрофоретические подвижности, эффективный поверхностный заряд). Проведен анализ полученных результатов, предложена модель нелинейного электрофореза. Автором проведено компьютерное моделирование расчета сил, действующих на микрочастицу при оптическом захвате.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на следующих конференциях: на международных конференциях 3rd International Workshop on Liquid Crystal for Photonics, 8-10 September 2010, Elche, Spain, 23rd International Liquid Crystal Conference 11-16 July 2010, Krakow, Poland, 37

Arbeitstagung Flussigkristalle ('Topical Meeting on Liquid Crystals') 1-3 April 2009, Stuttgart; Germany, 12th International Conference on Ferroelectric Liquid Crystals; 31 August - 4 September, 2009, Zaragoza; Spain, NATO Advanced Study Institute "Unexploded Ordnance Detection and Mitigation" 20 July - 2 August, 2008, II Ciocco, Italy; на 62ой научной конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников Южно-Уральского государственного университета, 16 апреля 2010 г.; на III Всероссийской молодежной школе-семинаре с международным участием «Инновационные аспекты фундаментальных исследований по актуальным проблемам физики» Москва, 25 - 30 октября 2009 г.; на конференциях молодых ученых Института Электрофизики (Екатеринбург, 2006, 2009 г.); на конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых по «Оптике и лазерной физике», Самара, 2004 и 2006 гг.

Доклад по диссертационной работе был представлен на семинарах в группах Prof. Dr. W. Haase, Eduard Zintl Institute for Inorganic and Physical Chemistry, Darmstadt University of Technology, Prof. Dr. B. Stuehn, Institute of Condensed Matter Physics, Darmstadt University of Technology, Prof. Dr. T. Halfmann, Institute of Applied Optics, Darmstadt University of Technology, Prof. Dr. C. Tropea, Center of Smart Interfaces, Darmstadt University of Technology.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 научных работ, 3 из которых - в рецензируемых журналах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, приложения, заключения, листа благодарности, списка

Основные результаты главы № 4

Г.Исследована динамика электрофоретического движения меламиновых микрочастиц под действием сильного электрического поля (0,1 <Е <1,6В/мкм) в ориентированном слое нематического жидкого кристалла с помощью метода измерения скоростей; Обнаружена нелинейная зависимость скорости- движения микрочастицы в сильном электрическом поле у=[х(3)Е3. Данная зависимость объяснена в рамках модели электрофореза индуцированного заряда. Оценено значение нелинейной электрофоретической подвижности ц(3) « 5 х Ю-22 м4/(в3 х с) (планарная ориентация <р=0°).

П.Исследована динамика движения микрочастицы в ячейке с планарной ориентацией, когда угол между директором ЖК и приложенным электрическим полем составляет ср~ 0°, Ц> — 45°, ср = 90°, и гомеотропной ориентацией, где директор НЖК направлен перпендикулярно стеклянным подложкам. Показано, что максимальная скорость достигается при движении микрообъекта в планарно ориентированной ячейке (<р = 0°), минимальная - в гомеотропно ориентированной (> > у^90" > \Ьот). Данная зависимость объяснена влиянием анизотропией текучей вязкости и

V1 £,Т| диэлектрической проницаемости НЖК (—г =-).

V 8г л,

Ш.Показано, что нелинейная электрофоретическая подвижность значительно возрастает с увеличением температуры, при достижении точки просветления падает. Данный эффект объяснен изменением ДЭС вследствие теплового движения ионов, а также теплового разложения материала частицы (меламин резина).

1У.Показано, что существует время задержки при электрофоретическом движении частиц. Данный эффект объяснен конечным значением времени формирования ДЭС, гае1 « 0,1 с (планарная ориентация (р=0°). Полученное теоретическое значение хорошо согласуется с экспериментальными результатами тде, ~ 0,05 с.

Заключение

ГИсследована динамика электрофоретического движения диэлектрических микрочастиц в ориентированном слое нематического жидкого кристалла под действием сильного знакопеременного электрического поля. Впервые обнаружена нелинейная зависимость средней скорости движения микрочастицы в сильном электрическом поле у=р(3)Е3 в нематических жидких кристаллах. Данная зависимость объяснена в рамках модели нелинейного электрофореза.

П.Исследован вклад диэлектрофоретической силы и силы упругого захвата на динамику движения диэлектрической микрочастицы в НЖК. С помощью метода оптического захвата впервые оценены значения электрофоретической и диэлектрофоретической сил, действующих на микрочастицу в зависимости от ее пространственного положения между электродами. Оценены значения эффективного поверхностного заряда микрочастицы и эффективной текучей вязкости НЖК.

1. Zhao, Y. Microparticle concentration and separation by travel ingx^^^ dielectrophoresis (twDEP) for digital microfluidics / Y. Zhao, U.-C. Yi, S.K. ^ J. Microelectromech. Systems. - 2007. -V.16. - P. 1472-1481.

2. Huang, C. Design and fabrication of an automated microchip-basedcellseparation device / C. Huang, Yu J., J. Zhu, L. Wang, M. Guo // Anal. Lett. 20 V.63. - P.763—778.

3. Kohlheyer, D. Miniaturizing free-flow electrophoresis a critical review- ^ ^ Kohlheyer, J.C.T. Eijkel, A. Berg, R.B.M. Schasfoort // Electrophoresis.1. V.29.-P. 977-993.

4. Sakata-Sogawa, K. Direct measurement of DNA molecular length in soXxit* using optical tweezers: detection of looping due to binding protein interaction.^1. K.

5. Sakata-Sogawa, M. Kurachi, K. Sogawa, Y. Fujii-Kuriyama, H. Tashiro // ^-tsur.

6. Biophys. J.- 1998. V.27, №1. - P. 55-61.

7. Dao, M. Mechanics of the human red blood cell deformed by optical tweeze^-^y ^ Dao, C.T. Limb, S. Suresha // J. of the Mechanics and Physics of Solids. 2.OQ3 V.51. - P. 2259-2280.

8. Kangl, Y. Electrokinetic motion of particles and cells in microchannels ^ ^ Kangl, D. Li I I Microfluidics and Nanofluidics. 2009. -V.6. - P. 431-460.

9. Skarabot, M. Transport and crystallization of colloidal particles in a thin n^j^ . cell / M. Skarabot, U. Tkalec, I. Musevic // Eur. Phys. J. E.- 2007. -V.24 P.9c>^ j ^

10. Lavrentovich, O.D. Nonlinear electrophoresis of dielectric and metal Sphere^in anematic liquid crystal / O.D. Lavrentovich, I. Lazo, O.P. Pishnyak // Nature. 2qjq V.467. - P.947-950.

11. Humar, M. Electrically tunable liquid crystal optical microresonators / M. ttu^ Ravnik, M. Pajk S., I. Musevic // Nature Photonics. 2009. - V.3. - P. 595 - 6()o

12. Skarabot, M. Direct observation of nanoparticles in a nematic liquid cryst^j j ^ Skarabot, I. Musevic // Soft Matter. 2010. - V.6. - P. 5476-5481.

13. Tatarkova, S.A. Colloidal Interactions and Transport in Nematic Liquid Crystals / S.A. Tatarkova, D.R. Burnham, A.K. Kirby, G.D. Love, E.M. Terentjev // Phys. Rev. Let. -2007. -V.98. P. 157801.

14. Dierking, I. Electromigration of microspheres in nematic liquid crystals / I. Dierking, G. Biddulph, K. Matthews // Phys. Rev. E. 2006. - V.73,№ 1.-P.011702.

15. Pishnyak, O.P. Levitation, Lift, and Bidirectional Motion of Colloidal Particles in an Electrically Driven Nematic Liquid Crystal / O.P. Pishnyak, S. Tang, J.R. Kelly, S.V. Shiyanovskii, O.D. Lavrentovich // Phys. Rev. Lett. 2007. -V.99. - P.127802.

16. Pishnyak, O.P. Electrically Induced Dynamics of Colloidal Particles Dispersed in Nematic Liquid Crystal / O.P. Pishnyak, S. Tang, J.R. Kelly, S.V. Shiyanovskii, O.D. Lavrentovich // Ukr. J. Phys. 2009. - V.54, № 1-2. - P. 101-108.

17. Barany, S. Study of nonlinear electrophoresis / S. Barany, F. Madai, V. Shilov // Prog. Colloid Polym. Sci. -2004. V.128. - P. 253-261.

18. Barany S. Electrophoresis in strong electric fields / S. Barany // Adv. in Col. and Int. Sci. 2009. -V.147-148. - P. 36-^3.

19. Блинов JI.M. Электро- и магнитооптика жидких кристаллов / Л.М. Блинов. М.: Наука, 1978.-384с.

20. Blinov L.M. Electrooptic Effects in Liquid Crystal Materials / L.M. Blinov, V.G. Chigrinov. New York: Springer Verlag, 1996.

21. Беляков, B.A. Оптика холестерических жидких кристаллов / В.А. Беляков, А.С. Сонин. М.: Наука, 1982.

22. Томилин, М.Г. Взаимодействие жидких кристаллов с поверхностью / М.Г. Томилин. С-Пб.: Политехника, 2001 г. 325 с.

23. Khoo I.C. Liquid crystals / I.C. Khoo. 2nd. ed. - Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., 2007. - 365 pp.

24. Yang, D.-K. Liquid crystal devices / D.-K. Yang, S.-T. Wu. J. Wiley, Ltd. 2006.

25. Peker, S. Solid-liquid Two Phase Flow / S. Peker, S. Helvaci. Elsevier Science, 2007. - 534 pp.

26. Paulin, P. Novel Colloidal Interactions in Anisotropic Fluids / Stark H., Lubensky T.C., Weitz D.A. // Science. 1997. - V. 275. - P. 1770-1773.

27. Fukuda, J. Confinement effect on the interaction between colloidal particles in a nematic liquid crystal: An analytical study / J. Fukuda, S. Zumer // Phys. Rev. E. -2009.-V.79.-P. 041703.

28. Fukuda, J. Interaction between two spherical particles in a nematic liquid crystal / J. Fukuda, H. Stark, M. Yoneya, H. Yokoyama // Phys. Rev. E. 2004. -V.69.-P. 041706.

29. Ravnik, M. Colloidal structures confined to thin nematic layers: dis. Dr./ M. Ravnik. Ljubljana, 2009. - 106 pp.

30. Brau, R.R. Passive and active microrheology with optical tweezers / R.R. Brau, J.M. Ferrer, H. Lee, C.E. Castro, B.K. Tam, P.B. Tarsa, P. Matsudaira, M.C. Boyce, R.D. Kamm, M.J. Lang // J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 2007. - V.9. - P. S103-S112.

31. Bellour, M. Brownian motion of particles embedded in a solution of giant micelles / M. Bellour, M. Skouri, J.-P. Munchl, P. Hebraud // Eur. Phys. J. E. 2002. - V.8, №4. - P. 431-436.

32. Nemet, B.A. Measuring microscopic viscosity with optical tweezers as a confocal probe/ B.A. Nemet, M. Cronin-Golomb // Appl. Optics. 2003. - V.42, №.10.-P. 1820-1832.

33. Фролов, Ю.Г. Курс коллоидной химии / Ю.Г. Фролов. Поверхностные явления и дисперсные системы. 2-е изд., перераб. и доп.- М: Химия, 1988.-464с.

34. Probstein, R.F. Physicochemical Hydrodynamics / R.F. Probstein. 2nd ed. — New York: John Wiley & Sons, 1994.

35. Lyklema, J. Fundamentals of Interface and Colloid Science. Vol. 2, Solid-liquid Interfaces / J. Lyklema. Academic Press, London, 1995.

36. Hunter, R.J. Foundations of Colloid Science / R.J. Hunter. Oxford: Oxford University Press, 1989.

37. Ohshima, H. Theory of electrostatics and electrokinetics of soft particles / H. Ohshima // Sci. Technol. Adv. Mater. 2009. - V. 10. - P. 063001.

38. Ozkan, M. Electrooptical platform for the manipulation of live cells / M. Ozkan, T. Pisanic, J. Scheel, C. Barlow, S. Esener, S.N. Bhatia // Langmuir. 2003. - V.19, №5.-P. 1532-1538.

39. Toriello, N.M. Microfluidic device for electric field-driven single-cell capture and activation / N.M Toriello, E.S. Douglas, R.A. Mathies // Anal. Chem. 2005. -V.77.-P. 6935-6941.

40. Zhou, H. Lateral separation of colloids or cells by dielectrophoresis augmented by AC electroosmosis/ Zhou H., White L.R., Tilton R.D. // J. Colloid Interface Sci. -2005.-V.285. P. 179-191.

41. Fu, L.M. Electrokinetically driven micro flow cytometers with integrated fiber optics for on-line cell/particle detection / L.M. Fu, RJ. Yang, C.H. Lin, YJ. Pan, G.B Lee // Anal Chim Acta. 2004. - V.507. - P. 163-169.

42. Fu, J. Nanfilter array chip for fast gel-free biomolecule separation / J. Fu, P. Mao, J. Han // Appl. Phys. Lett. 2005. - V.87. - P. 263902.

43. Fu, J. Molecular sieving in periodic free-energy landscapes created by patterned nanofilter arrays / J. Fu, J.Yoo, J.Han // Phys. Rev. Lett. 2006. - V.97. - P. 018103.

44. Squires, T.M. Induced-charge electrokinetic phenomena: theory and microfluidic applications / T.M. Squires, M.Z. Bazant // Phys. Rev. Lett. 2004. - V.92. - P. 066101.

45. Squires, T.M. Breaking symmetries in induced-charge electro-osmosis and electrophoresis /T.M. Squires, M.Z. Bazant// J Fluid Mech.- 2006.-V.560.-P.65-101.

46. Pohl, H.A. Dielectrophoresis / H.A. Pohl. Cambridge: Cambridge University Press, 1978. 579 pp.

47. T.B. Jones. Electromechanics of Particles / T.B. Jones. Cambridge: Cambridge University Press, 1995. 266 pp.50.'Morgan, H.AC Electrokinetics: Colloids and Nanoparticles / H. Morgan, N.G. Green. Philadelphia: Research Studies Press, 2002.

48. F.F. Becker // Meas. Sci. Technol. 1992. - V.3. - P. 439^145.

49. Huang, Y. Differences in the AC electrodynamics of viable and non-viable yeast cells determined through obtained dielectrophoresis and electrorotation / Y. Huang, R. Holzel, R. Pethig, X.B. Wang // Phys. Med. Biol. 1992. - V.37. - P. 1499-1517.

50. Pethig, R. Positive and negative dielectrophoretic collection of colloidal particles using interdigitated castellated microelectrodes / R. Pethig, Y.Huang, X.B.Wang, J.P.H. Burt // J. Phys. D Appl. Phys. 1992. - V.25. - P. 881-888.

51. Markx, G.H. Separation of viable and non-viable yeast using dielectrophoresis /

52. G.H.Markx, M.S. Talary, R. Pethig // J. Biotechnol. 1994. - V.32, №1. - P. 29-37.

53. Becker, F.F. Separation of human breast cancer cells from blood by differential dielectric affinity / F.F. Becker, X.B. Wang, Y. Huang, R. Pethig, J. Vykoukal, P.R.C. Gascoyne // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1995. - V.92. - P. 860-864.

54. Huang, Y. Electrokinetic behaviour of colloidal particles in travelling electric fields: studies using yeast cells / Y. Huang, X.B. Wang, J.A Tame, R. Pethig // J. Phys. D Appl. Phys. 1993. - V.26. - P. 1528-1535.

55. Wang, X.B. An unified theory of dielectrophoresis and travelling wave dielectrophoresis / X.B. Wang, Y. Huang, F.F. Becker, P.R.C. Gascoyne //J. Phys. D Appl. Phys. 1994.-V.27.-P. 1571-1574.

56. Green, N.G. Numerical solution of the dielectrophoretic and travelling wave forces for interdigitated electrode arrays using the finite element method / N.G. Green, A. Ramos, H. Morgan // J. Electrostatics. 2002. - V.56. - P. 235-254.

57. Du, H. Manipulation of bioparticles using traveling wave dielectrophoresis: numerical approach / H. Du, W.H. Li, D.F. Chen, C. Shu // Int. J. Mechanics inDesign. -2004. -V.l. -P. 115-130.

58. Aubry N. Influence of particle-particle interactions and particles rotational» motion in traveling wave dielectrophoresis / N. Aubry, P. Singh // Electrophoresis. -2006; V.27. — P. 703-715.

59. Nudurupati, S. Electrohydrodynamics of yeast cells in microchannels subjected to travelling electric fields / S. Nudurupati, N. Aubry, P. Singh // J. Phys. D: Appl. Phys. 2006. - V.39. - P.* 3425-3439.

60. Song, H. An analytical method for dielectrophoresis and traveling wave dielectrophoresis generated by an n-phase interdigitated parallel electrode array / H. Song, D.J. Bennett // J. Fluids Eng. 2008. - V. 130. - P. 081605.

61. Shklyaev, S. Particle entrapment in a fluid suspension as a feedback effect / S. Shklyaev, A.V. Straube//New J. Phys.-2008. V.10.-P. 063030.

62. Feiten, M. Accumulation and filtering of nanoparticles in microchannels using electrohydrodynamically induced vertical flows / M. Feiten, W. Staroske, M.S. Jaeger, P. Schwüle, C. Duschl // Electrophoresis. 2008. V.29. - P. 2987-2996.

63. Higginbotham, S.N. A combined traveling wave dielectrophoresis and impedance sensing device for sensing biological cell suspensions / S.N. Higginbotham, D.R. Sweatman// J. Phys. D Appl. Phys. -2008. V.41. -P. 175503.

64. Lee, S. Structure and dynamics of suspensions of silica particles in liquid crystals under a low frequency AC applied voltage / S. Lee, K. Nakayama, T. Matsui, M.Ozaki, K. Yoshino // IEEE Trans, on Dielec. and Electr. Insu. 2002. - V.9, №1. -P. 31-38.

65. Liao, G. Electrorotation of colloidal particles in liquid crystals / G. Liao, I.I. Smalyukh, J.R. Kelly, O.D. Lavrentovich, A. Jaklie // Phys. Rev. E. 2005. - V.72. -P. 031704.

66. Jäkli, A. Colloidal micromotor in smectic A liquid crystal driven by DC electric field / A. Jäkli, B. Senyuk, G. Liao, O.D. Lavrentovich // Soft Matter. 2008. - V.4. -P. 2471-2474.

67. Mieda, Y. Microsphere manipulation using ferroelectric liquid crystals / Y. Mieda, K. Furutani // Phys. Rev. Lett. 2005. - V.95. - P. 177801.

68. Srivastava, A.K. Dielectrophoresis force driven dynamics of carbon nanotubes in liquid crystal medium / A.K.Srivastava, S.J. Jeong, M.-H. Lee, S.H. Lee, S.H. Jeong, Y.H. Lee // Journ. of Appl. Phys. 2007. - V. 102. - P .043503.

69. Zhang,G. Electrophoretic deposition of silver nanoparticles in lamellar lyotropic liquid crystal / G. Zhang, X. Chen,, J: Zhao,' Y. Chai, W. Zhuang, L. Wang-// Mat. Lett. 2006. - V.60, №23. - P. 2889-2892.

70. Ashkin, A. Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles/ A. Ashkin, J.M. Dziedzic // Optics Letters.- 1986. V.ll, №5. - P 288290.

71. Ashkin, A. Optical trapping and manipulation of neutral particles using lasers /

72. A. Ashkin. World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., 2006. 940 pp.

73. Gautier R.C. Optical trapping: a tool to assist optical machining / R.C. Gautier // Optics Laser Technology. 1997. - V.29, N7. - P. 389-399.

74. Maghellia, N. Optical Trapping and Laser Ablation of Microtubules in Fission Yeast / N. Maghellia, I. M. Tolic -N0rrelykke // Methods in Cell Biology. 2010. -V.97.-P. 173-183.

75. B. Shao, M.M. Wang, S.C. Esener, // Sensors and Actuators B. 2002. - V.87. - P. 239-243.

76. Vliet, K.J. The biomechanics toolbox: experimental approaches for living cells and biomolecules / KJ. Vliet, G. Bao //Acta Materialia. 2003. - V.51, №19. - P. 5881-5905.

77. Bryant, Z. Structural transitions and elasticity from torque measurements on DNA / Z. Bryant, M.D. Stone, J. Gore, S.B. Smith, N.R.Cozzarelli, C. Bustamante // Letters to nature. 2003. - V.424. - P. 338-341.

78. Williams, M. Optical Tweezers: Measuring Piconewton Forces / M. Williams // Department of Physics and Center for Interdisciplinary Research on Complex Systems. 2002.

79. Greulich, K.O. Microscopic flow measurements with optically trapped microprobes / K.O. Greulich, G. Pilarczyk, A. Hoffmann, G. Meyer, Z.H.E. Rste // Journal of Microscopy. 2000. -V. 198, №3. - P. 182-187.

80. Reichle, C. A new microsystem for automated electrorotation measurements using laser tweezers / C. Reichle, T. Schnelle, T. Muller // Biochimica. et Biophysica Acta. 2000. - V. 1459. - P. 218-229.

81. Valentine, M.T. Forces on a colloidal particle in a polymer solution: a study using optical tweezers / M.T. Valentine, L.E. Dewalt, H.D. Ou-Yang // Phys. Condensed. Matter. 1996. - V.8. - P. 9477-9482.

82. Abramochkin, E. Generation of spiral-type beams / E. Abramochkin, V. Volostnikov, N. Losevsky // Optics communication. 1997. - V.141. -P.59-64.

83. McDonald, M.P. Revolving interference patterns for the rotation of optically trapped particles / M.P. McDonald, L. Paterson, J. Arlt // Optics Communication. -2002.-V.201.-P. 21-28.

84. Galajda R. Rotation of microscopic propellers in laser tweezers / R. Galajda, P. Ormos // J. Opt. B: Quantum*Semiclass. Opt. 2002. - V.4. - P. S78.

85. Garces-Chavez, V. Simultaneous micromanipulation in multiple planes 'using a selfreconstructing light beam / V. Garces-Chavez, D. MCgloin, H. Melville,, W. Sitbbett, K. Dholakia // Lett, to Nature. 2002. - V.419. - P. 145-147.

86. Volke-Sepulveda, K. Orbital angular momentum of a high-order Bessel light beam / K. Volke-Sepulveda, V. Garces-Chavez, S. Chavez-Cerda, J. Arlt, K. Dholakia // J. Opt. B: Quantum Semiclass. Opt. 2002. - V.4. - P. S82-S89.

87. McGloin, D. Three-dimensional arrays of optical bottle beams / D. McGloin, G.C. Spalding, H. Melville //Optics Communications. 2003. - V.225. - P. 215-222.

88. Arlt, L.Optical micromanipulation using a Bessel light beam / L. Arlt, V. Garces-Chavez, W. Sibbett // Optics Communication. 2001. - V.197. - P. 239-245.

89. Kundikova, N.D. Experimental creation of chainlike beams and investigation of their structure / N.D. Kundikova, A.V. Ryzhkova, T. Alieva, M.L. Calvo, J.A. Rodrigo // Optics and Spectroscopy. 2008. - V. 104, №5. - P. 756-759.

90. Calvo, M.L. Generation of chain like beams / M.L. Calvo, J.A. Rodrigo, T. Alieva // 20th Congress of the International Commission for Optics: Challenging Optics in science and Technology, SPIE 6027, 0403-028], 1-7 (2005).

91. Galajda, R. Rotation of microscopic propellers in laser tweezers / R. Galajda, P. Ormos // J.Opt. B: Quantum Semiclass. Opt. 2002. - V.4. - P. 78-81.

92. Abramochkin, E. Beam transformation and nontrnsformed beams / E. Abramochkin, V. Volostnikov// Optics communication. 1990. -V.83, №1-2-P.123-135.

93. Abramochkin, E. Spiral-type beams / E. Abramochkin, V. Volostnikov // Optics communicaton. 1993. - V.102. - P. 336-350.

94. Suresh, S. Biomechanics and biophysics of cancer cells / S. Suresh // Acta Materialia. 2007. - V.55. - P. 3989-4014.

95. Mills, J.P. Nonlinear elastic and viscoelastic deformation of the human red blood cell with optical tweezers / J.P. Mills, L. Qie, M. Dao, C.T. Lim, S. Suresh // Molecular and Cellular Biology. -2004. V.l, №3. - P. 169-180.

96. Yoon, Y.-Z. Non-linear mechanical response of the red blood cell / Y.-Z. Yoon, J. Kotar, G. Yoon, P. Cicuta,// Phys. Biol. 2008. - V.5, №3. - P. 036007.

97. Shindo, E. In situ analysis of the higher-order genome structure in a single Escherichia coli cell / E. Shindo, K. Kubo, R.L. Ohniwa, K. Takeyasu, K. Yoshikawa //J. of Biotechnology. -2008. V.l 33. - P. 172-176.

98. Bishop, A.I. Optical Microrheology using rotating laser-trapped particles / A.I. Bishop, T.A. Nieminen, N.R. Heckenberg, H. Rubinsztein-Dunlop //Phys. Rev. Lett. — 2004. — V.92. — P.198104.

99. Gleeson, H.F. Laser manipulation in liquid crystals: an approach to microfluidics and micromachines / H.F. Gleeson, T.A. Wood, M. Dickinson // Phil. Trans. R. Soc. A. -2006. V.364. -P.2789-2805.

100. Anand, S. Non-contact optical control of multiple particles and defects using holographic optical trapping with phase-only liquid crystal spatial light modulator / S.

101. Anand, R.P. Trivedi, G. Stockdale, I.I. Smalyukh // Proc. SPIE 2009. - V.7232. -P. 723208.

102. Smalyukh, I.I. Optical trapping of director structures and defects in liquid crystals using laser tweezers / I.I. Smalyukh, D.S. Kaputa, A.V. Kachynski, A.N. Kuzmin, P.N. Prasad // Opt. Exprs. 2006. - V. 15, №7. - P. 4359.

103. Musevic, I. Laser Trapping of small colloidal particles in a nematic liquid crystal: clouds and ghosts / I. Musevic, M. Skarabot, D. Babic, N. Osterman, I. Poberaj, V. Nazarenko, A. Nych // Phys.Rev.Lett. 2004. - V.93. - P. 187801.

104. Podgornov, F.V. Thresholdless electrooptical mode in Ferroelectric Liquid Crystals: dis. dr. rer. nat/ F.V. Podgornov. Darmstadt, 2004. - 94 pp.

105. Ryzhkova, A.V. Nonlinear electrophoretic motion of dielectric microparticles in nematic liquid crystals / A.V. Ryzhkova, F.V. Podgornov, W. Haase // Appl. Phys. Lett.-2010.-V.96,№ 15. P. 151901.

106. Gaebler, A. Multiphysics simulations for tunability efficiency evaluation of liquid crystal based Rf devices / A. Gaebler, F. Goelden, S. Mueller, R. Jakoby // Frequenz. 2008. - V.62, №9-10. - P. 240-245.

107. Kang, K.H. Effects of dc-dielectrophoretic force on particle trajectories in microchannels / K.H. Kang, X. Xuan, Y. Kang, D. Li // J. Appl. Phys. 2006. -V.99.-P. 064702.

108. Bert, T. Dielectrophoresis in electronic paper / T. Bert, H. Smet // Displays. -2003. V-.24. - P.223—230.

109. Manley, T.R. Thermal stability of melamine formaldehyde resins / T.R. Manley, D.A. Higgs // J. Polym. Sci., Polym. Symp. 2007. - V.42, №3. - P. 13771382.

110. Hopper, M.A. An electrophoretic display, its properties, model, and addressing / M.A. Hopper, V. Novotny // IEEE Trans. Elctron. Devices. 1979. - V.26, №8. -P. 1148-1152.

111. Marinsen, O. Encyclopedia Surface Colloid Science / O. Marinsen, S. Grimmes, H. Schwan. New York: Marcel Dekker, 2002.

112. Schwarz G. A theory of the low-frequency dielectric dispersion of colloidal particles in electrolyte solution / G. Schwarz // J. Phys. Chem. 1962. - V.66, №12-P. 2636-2642.

113. Green N.G., Morgan» H. Dielectrophoretic investigations of sub-micrometre latex spheres / N.G. Green, H. Morgan // J. Phys. D: Appl. Phys. 1997. - V.30, №18.-P. 2626.

114. Рыжкова, А.В. Управление двумерным движением микрочастиц в нематическом жидком кристалле / А.В. Рыжкова, Ф.В. Подгорнов, W. Haase // Ж. Краткие сообщения по физике, ФИАН. 2009. - Т. 36, № 12. - С. 47 - 49.

115. Рыжкова, А.В. Электрокинетические явления в нематических жидких кристаллах / А.В. Рыжкова, Ф.В. Подгорнов, W. Haase // Наука ЮУрГУ: материалы 62-ой научной конференции. Секции естественных наук. -Челябинск: Изд-во ЮУрГУ. 2010. - С . 140 - 144.

116. Рахматуллин, М.А Разработка методов манипуляций микрообъектми лазерным излучением: дис. канд. ф.-м. наук / М.А. Рахматуллин. Самара, 2003 .-С. 121.1. Список публикаций:

117. Ryzhkova, A.V. Nonlinear electrophoretic motion of dielectric microparticles in nematic liquid crystals / A.V. Ryzhkova, F.V. Podgornov, W. Haase // Appl. Phys. Lett. — 2010. V.96, № 15. —P.151901.

118. Рыжкова, A.B. Управление двумерным движением микрочастиц в нематическом жидком кристалле / А.В. Рыжкова, Ф.В. Подгорнов, W. Haase // Ж. Краткие сообщения по физике, ФИАН. 2009. - Т. 36, № 12. -С. 47-49.

119. Рыжкова, А.В. Электрокинетические явления в нематических жидких кристаллах / А.В. Рыжкова, Ф.В. Подгорнов, W. Haase // Наука ЮУрГУ: материалы 62-ой научной конференции. Секции естественных наук. -Челябинск: Изд-во ЮУрГУ. 2010. - С . 140 - 144.