Интерес со стороны исследователей к микро- и нанофлюидистике (науке о движении жидкостей в микро- и наноразмерных каналах и капиллярах) продиктован многообещающими приложениями этих систем в биологии, оптоэлектронике и различных сенсорах и датчиках, в основу которых положены анизотропные молекулярные жидкости и жидкокристаллические (ЖК) материалы. Жидкие кристаллы чрезвычайно чувствительны к внешним раздражителям и поэтому могут быть использованы для создания устройств, реагирующих на раздражители. Они обладают различными преимуществами по сравнению с другими типами микросенсоров и микроактуаторов: простотой конструкций, высокой адаптивностью формы, легкостью манипуляций с размерами и низкими управляющими напряжениями. Нематические капли соответствующего размера, заключенные в цилиндрический капилляр или канал, представляют собой микроустройства, ориентацией молекул которых можно управлять не только электрическим полем или давлением, но и градиентом температуры (может быть создан, например, лазерным лучом, сфокусированным как в объеме, так и на границе ЖК-канала).

Исследования ведутся в направлении разработки инновационных методов управления жидкокристаллическими системами в микроканалах и капиллярах, а также изучения режимов формирования гидродинамических потоков при взаимодействии между градиентом поля директора и градиентом температуры (на рисунке показан пример формирования вихревого потока в ЖК ячейке под действием лазерного излучения).

Основные результаты:

• Сложная динамика процессов выявлена при исследовании реакции жидкокристаллического материала, инкапсулированного в тонкие и сверхтонкие каналы, на локально формирующиеся градиенты температуры. В рамках нелинейного обобщения классической теории Эриксена–Лесли, с учетом баланса энтропии, описаны несколько сценариев формирования вихревых течений в микроразмерном гибридно-ориентированном жидкокристаллическом (ГОЖК) канале с ориентационным дефектом под действием сфокусированного лазерного излучения. Учет термомеханических вкладов в выражении для сдвигового напряжения и в уравнении баланса энтропии, позволил описать процесс формирования двувихревого потока в ГОЖК-каналах. Описан новый механизм формирования нелинейного ударного давления в форме бегущей волны в микроразмерном объеме твистового нематического ЖК, инициируемого электрическим полем.

• Изучены меняющиеся во времени структура и топологические дефекты в ГОЖК-каналах при радиальном и тангенциальном сцеплении на границах в зависимости от геометрических и силовых характеристик такой модели. Также показано, что для поведения активных нематиков главную роль играют не граничные условия, а самодвижущая сила и хиральность их образующих частиц.

• Впервые описан механизм диссипации инжектируемой энергии лазерного излучения в микрофлюидном нематическом канале с учетом ориентационных дефектов на границах этих каналов. В свою очередь, эти ориентационные дефекты обусловлены транс-цис и цис-транс переходами на границах микрофлюидных нематических каналов в процессе облучения их сфокусированным лазерным излучением. Исследован гидродинамический механизм формирования градиента температуры, в изначально одинаково прогретом нематическом канале, под действием сдвигового напряжения приложенного к границам канала.