Brownian dynamics simulation of colloidal particles in a Gay-Berne suspension

Abstract

Complex colloidal fluids have become an emerging composite material useful for novel industrial and technological applications. The dispersion of colloids in anisotropic fluids with crystal-like structures, such as nematic liquid crystals, it is of particular interest for the developing of new sensor technologies. Experiments have shown the presence of colloidal particles in these fluids induce the formation of topological defects due to the disruption of the director of the nearby molecules which propagate through the medium. The type of defect which occurs in a liquid crystal depends on the orientation the molecules adopt around the colloid, either parallel or tangential to its surface, which in turn depends on the functionalization over the particle surface. The presence of multiple colloids induces chain-like aggregations and for higher colloid concentrations, the formation of network-like structures in the liquid crystal. This aggregation is the result of the minimization of energy of the suspension caused by the presence of topological defects. This phenomena is studied from a coarse-grained perspective, through Brownian dynamics simulations in order to understand the role of the topological defects in the mobility and aggregation of particles. Studying liquid crystal colloids from this perspective extent the time and length scale of the simulations, providing the possibility of studying macroscopic rheological properties. In order to accomplish our goals, the long-time self-diffusivity of a single colloid immersed in a suspension of prolates spheroids that interacts through the Gay-Berne potential for volume fractions which range from φ = 0.05 − 0.70 for homeotropic and tangential anchoring is studied. The anchorings are controlled through the colloid-rod potential developed by Antypov et al. [1]. The long-time self-diffusivity of the colloidal particle obtained in an isotropic phase was of D∞ ∼ 0.30Do for homeotropic anchoring and D∞ ∼ 0.57Do for tangential anchoring, which can be attributed to the added volume of the ellipsoids to the colloidal particle. A percent difference of 62% and 68% of the long-time self-diffusivity parallel and perpendicular, respectively, between the nematic and isotropic phase was found. In addition, the interaction forces between two spherical colloids as a function of the separation distance for homeotropic and tangential anchoring over both particles was calculated. It was found that the interaction for the homeotropic anchoring was an order of magnitude higher than the tangential one, while in the nematic phase the interaction was of longer range than in the isotropic phase.

Los fluidos coloidales complejos se han convertido en un material compuesto emergente útil para aplicaciones novedosas en el área de la industria y la tecnología. Es de particular interés en el desarrollo de nuevos sensores, las dispersiones de coloides en fluidos anisotrópicos con estructuras semi-cristalinas como cristales líquidos nemáticos. Experimentos recientes han demostrado que la presencia de partículas en estos fluidos induce la formación de defectos topológicos debido a la alteración del director de las moléculas que se encuentran adyacentes y que se propaga a través del medio. Se conoce claramente que el tipo de defecto que ocurre en el cristal líquido es ocasionado por la orientación que adoptan las moléculas sobre el coloide, paralelo o tangencial a su superficie, que a su vez depende de la funcionalización sobre la superficie de la partícula. La presencia de múltiples in ducen formaciones en forma de cadenas y para altas concentraciones de coloides formaciones de redes en el cristal líquido. Estas agregaciones son resultados de la minimización de la energía de la suspensión causada por la presencia de estos defectos. Estudiamos este fenómeno desde la perspectiva coloidal a través de simulaciones por dinámica Browniana para entender el rol de los defectos topológicos en la mo- bilidad y agregación de las partículas. El estudio de coloides en cristales líquidos desde estar perspetiva nos podría permitir el estudio de propiedades reológicas de este material. Para cumplir nuestras metas se estudia la autodifusividad de largos tiempos de un coloide sumergido en una suspensión de esferoides que interactuan a través del potencial de Gay-Berne para fracciones volumétricas que van desde φ =0.05 -0.70 para anaclajes homeotrópico y tangencial. Este anclaje esta con- trolodo a través del potencial coloide-esferoide desarrollado por Antypov et al. [1]. La autodifusividad de largos tiempos de una particula coloidal en una fase isotropic fue de D ~ 0.30Do para anclaje homeotrópico y D∞ ∼ 0.57Do, para anclaje tangencial, el cual es atribuido al volumen añadido de laş particulas elipsoidales sobre el coloide . Un porcento de diferencia de 62 % y 68 % de la auto - difusividad de largos tiempos, paralello y perpendicular respectivamente, entre la fase nemática y la fase isotrópica fue enco ntrado. En adición, estudiamos la fuerza de interacción entre dos coloides como función de la distancia de separación para anclajes homeotrópicos y tangencial sobre ambas partículas. Fue descubierto que la interacción entre las particulas con anclaje homeotrópico tiene un orden de magnitud más grande que el anclaje tangencial, mientras la interacción en la fase nemática es de mayor que en fase isotrópica.