Comportamiento interfacial de cristales líquidos nemáticos en contacto con sustratos microestructurados

Abstract

En esta Memoria presentamos un estudio teórico del comportamiento interfacial de cristales líquidos nemáticos en presencia de sustratos microestructurados constituidos por arreglos periódicos de canales con forma predeterminada, y que localmente favorecen el anclaje homeotrópico del cristal líquido. Nos hemos centrado en tres topografías caracterizadas por la sección de cada canal: el sustrato triangular, el sustrato almenado y el sustrato sinusoidal. Este estudio se ha realizado en el marco de la teoría elástica de Frank-Oseen en campo medio, modificada para tener en cuenta la presencia de interfases y singularidades del campo orientacional asociadas a la presencia del sustrato y/o interfase isótropo-nemático. Además, se ha complementado dicho análisis con simulaciones Monte Carlo de un modelo sencillo de fluido nematógeno en contacto con los sustratos estructurados, así como la evaluación en la teoría de Landau-de Gennes de la contribución a la energía libre de los núcleos asociados a las singularidades del campo de orientaciones. Hemos analizado dos tipos de fenomenología interfacial: las transiciones de anclaje de un nemático en contacto con el sustrato microestructurado y las transiciones de mojado y rellenado por nemático cuando el sustrato está en contacto con el fluido nematógeno en su fase isótropa. Respecto a las transiciones de anclaje, se observa que la topografía del sustrato puede alterar el anclaje del nemático lejos del sustrato, de manera que para sustratos poco rugosos el nemático se orienta de manera perpendicular al plano de referencia del sustrato, mientras que para sustratos más rugosos puede orientarse de manera paralela u oblicua. La transición de anclaje entre estos estados interfaciales, que es de primer orden, está determinada por la geometría del sustrato para los casos triangular y sinusoidal, pero en el caso almenado la situación es más compleja, dependiendo de los detalles de la interacción sustrato-fluido. Finalmente, la fenomenología de mojado y rellenado muestra diferencias apreciables respecto al caso de fluidos simples. En particular, se han analizado para el sustrato sinusoidal y almenado. En el primer caso, se ha obtenido el diagrama de fases en función de la rugosidad y el periodo del sustrato, obteniéndose para los periodos menores una estabilización de los estados de rellenado respecto a los de mojado. Para el caso del sustrato almenado, se analiza la estabilidad relativa de los distintos estados de rellenado y mojado que pueden aparecer, de manera que, en general, el estado mojado simétrico es el más estable para rugosidades pequeñas, el estado mojado asimétrico para rugosidades intermedias, y el estado de rellenado (simétrico o asimétrico) para rugosidades mayores.