Ученые Сибирского федерального университета и Института физики имени Л. В. Киренского КНЦ СО РАН исследовали оптические фотонные структуры с рассеивающей средой, состоящей из нематических (оптически одноосных) жидких кристаллов. Предполагается, что полученные результаты могут использоваться для анализа сложных структур и процессов, протекающих в упорядоченных системах и, возможно, использоваться для создания биологических датчиков.

 

В ходе эксперимента были изучены особые «абнормальные» роллы – сложные периодические структуры, возникающие в нематиках под действием электроконвективного спиралевидного потока жидкости. 

«Мы изучаем структуры, похожие на цилиндры (роллы) – по форме они напоминают всем известное блюдо японской кухни. Нам удалось отследить образование таких роллов и их поведение в нематических жидких кристаллах. Известно, что в постепенно нагреваемой жидкости (например, в воде) возникает движение вещества – теплая жидкость поднимается вверх по одному каналу, холодная опускается вниз по другому. В результате формируется замкнутый цикл. В нематических жидких кристаллах есть заданная ось симметрии, и любое движение в них осуществляется по траекториям, определяемым этой осью.

Так появляются интересующие нас роллы. Они могут быть относительно простыми, и тогда происходит банальное движение вокруг оси симметрии, что приводит к формированию вытянутых вдоль этой оси роллов. Но иногда образуются сложные спиралевидные потоки, приводящие к появлению так называемых абнормальных (проще говоря, ненормальных) роллов.

Теперь представьте, что эту, и без того сложную, среду мы поместили в оптический резонатор – конструкцию из двух параллельных зеркал, между которыми можно «накапливать» свет», – рассказал один из авторов исследования, доцент кафедры общей физики СФУ, старший научный сотрудник Института физики имени Л. В. Киренского СО РАН Михаил Крахалёв.

Ученый уверяет: в нематических кристаллах можно обнаружить множество разнообразных форм роллов, и интерес они представляют не только для специалистов, изучающих фундаментальные законы гидродинамики или оптики. Абнормальные роллы – самые любопытные: внешне они очень похожи на «нормальных» собратьев своей формой, но существенно отличаются от них внутренним строением. Это делает их интересным объектом в качестве модели рассеивающей среды со сложной закрученной структурой.

«Как двигатель автомобиля предпочитает работать на «чистом» бензине, так обычные оптические резонаторы любят «спокойные» нематические жидкие кристаллы, однородно ориентированные и почти не рассеивающие свет. Мы же показали, что даже если поместить в резонатор «шумную» с точки зрения оптики среду, состоящую из абнормальных роллов, можно вполне успешно регистрировать параметры и характеристики, которые обнаруживаются для классических систем со «спокойными» нематиками.

Более того, благодаря наличию резонатора такая система оказывается чувствительна как к самому факту наличия электроконвективных процессов, так и к их структуре. Например, можно не только легко отличить нормальные роллы от абнормальных, но и измерив оптические характеристики такой системы определить параметры, связанные со структурой (строением) роллов», – отметил Михаил Крахалёв.

Но зачем идти сложным, на первый взгляд, путем, если можно выбрать привычный «наполнитель» для резонатора? Ответ кроется в сущности большинства биологических жидкостей растений, животных и человека – они содержат рассеивающие или поглощающие свет элементы (клетки, белки и прочее). И анализ таких жидкостей, например методом измерения интенсивности рассеянного света, позволяет определить концентрацию и размер рассеивающих частичек, но не позволяет сделать вывод о присущей им структуре. Развитие подходов, позволяющих определять больше параметров сложных систем, может расширить возможности для их исследования и анализа.

«Мы призываем к осторожности в прогнозах. Все же, на сегодняшний день резонаторы с «шумной» рассеивающей средой (как абнормальные роллы в нематиках) изучены недостаточно, как и способы практического применения. Но судя по нашим экспериментам, такая оптическая система действительно является интересной с точки зрения анализа сложных систем, что в дальнейшем может привести к созданию датчиков (детекторов), в том числе для биологических систем», – резюмировал исследователь. 

Optical modes of multilayered photonic structure containing nematic layer with abnormal electroconvective rolls / Vladimir A.Gunyakov, Mikhail N.Krakhalev, Ivan V.Timofeev, Victor Ya.Zyryanov, Vasily F.Shabanov // Optical Materials. 2020. Vol. 100. 109630.

Похожие новости

  • 30/11/2018

    Энергоэкономные технологии для науки и промышленности

    ​В Институте физики им. Л. В. Киренского (ФИЦ КНЦ) СО РАН учёные разработали энергосберегающую технологию получения разнообразных редких кристаллов. Многие полезные для промышленности и научных исследований кристаллы растут из оксидов, которые плавятся при очень высоких температурах (в природе - путём кристаллизации в расплавленной магме).
    928
  • 10/09/2019

    Красноярск впервые в России собрал специалистов по исследованию аптамеров

    Аптамеры – это небольшие фрагменты ДНК или РНК, которые способны «узнавать» другие молекулы и связываться с определенной молекулой-мишенью. Они используются для измерения концентрации различных метаболитов и белков, для обнаружения токсинов, а также выявления специфических типов клеток и тканей, например, опухолевых или болезнетворных микроорганизмов.
    564
  • 27/03/2019

    Для молодых ученых в Красноярске пройдет конкурс-конференция по физике

    ​4 апреля 2019 года в конференц-зале главного корпуса Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН пройдет конкурс-конференция по следующим направлениям физики: 1) Физика конденсированного состояния.
    1117
  • 23/09/2019

    Учёные изучили неожиданные свойства разупорядоченных нанорешёток

    Учёные Сибирского федерального университета совместно с коллегами из Королевского технологического института (Стокгольм, Швеция), Федерального Сибирского научно-клинического центра ФМБА России (Красноярск), Института физики им.
    657
  • 05/10/2018

    Бюро отделения физических наук РАН одобрило только один проект развития СО РАН

    Как стало известно «Континенту Сибирь», бюро отделения физических наук РАН не одобрило 6 из 7 представленных регионами Сибири проектов развития Сибирского отделения РАН. Информацию подтвердил научный руководитель Института автоматики и электрометрии СО РАН, академик Анатолий Шалагин.
    1186
  • 13/04/2018

    Дилатометр измерит деформации космических материалов в вакууме

    Ученые из Института физики им. Л.В. Киренского Федерального исследовательского центра Красноярский научный центр СО РАН (ФИЦ КНЦ СО РАН) разработали измерительную ячейку для исследования свойств материалов при температурах близких к абсолютному нулю.
    1159
  • 16/05/2017

    Ученые СФУ разработали наиболее эффективный материал для аккумулирования водорода

    Красноярские ученые получили новый материал для хранения водорода, сообщила пресс-служба Сибирского федерального университета (СФУ). Материал на основе гидрида магния может хранить массу водорода, составляющую около 7% его собственной массы, и это рекордное значение емкости для всех аналогичных материалов.
    1597
  • 24/04/2018

    Как сделать жилье более доступным и экологичным?

    ​​Дом - это что-то теплое, уютное и, на первый взгляд - очень консервативное. Но на самом деле и строительство попевает за техническим прогрессом. Как сделать жилье более доступным, дешевым, экологичным? Мы создали краткий обзор тенденций и технологий будущего, которые появляются уже сейчас.
    1625
  • 09/12/2019

    Члену-корреспонденту РАН Валерию Миронову - 80 лет

    ​8 декабря свой юбилей отмечает член-корреспондент РАН, профессор, доктор физико-математических наук Валерий Леонидович Миронов. С 1986 г. по 1997 г. он работал на посту ректора Алтайского государственного университета.
    552
  • 28/10/2016

    Большая наука Красноярска зарождалась в Институте физики им. Л. В. Киренского СО РАН

    В октябре этого года исполнилось 60 лет с момента появления в Красноярске Института физики СО РАН. Здесь работают люди, которые умеют опережать время… Из подвала пединститута История создания института связана с именем Леонида Васильевича Киренского.
    1974