Shape Instability and Topology in Ferroelectric Nematic Fluids - Study and Optical Control

The groundbreaking discovery of Ferroelectric Nematic Liquid Crystals, identified as such in 2020, introduces a new state of the matter, both ferroelectric and fully liquid, leading to a broad range of novel physical effects. In this thesis work, we used a ferroelectric crystal, the Lithium Niobate, as a platform to manipulate and study the ferroelectric fluid response, exploiting the pyroelectric and photovoltaic effects of the solid that convert thermal and light stimuli in electric fields. The investigation of electro-dynamical phenomena such as shape instability and dielectrophoretic motion is reported, together with the study of polar domain patterns in thin cells. We also demonstrate the optical control of all these phenomena, using Lithium Niobate substrates irradiated by a focused laser. In particular, it is possible to induce and manipulate the emission of fluid jets and the droplet motion; on the other hand, the laser spot can generate radial alignment of the polar domains, π-twisted domains or line defects, depending on the setup configuration. The results reported here contribute to the understanding of the physical behavior of this new class of complex fluids and constitute a starting point to design new technological applications in the field of opto-microfluidic, soft robotics and optical poling in liquid systems.

L'innovativa scoperta dei cristalli liquidi ferroelettrici nematici, identificati come tali nel 2020, introduce un nuovo stato della materia, sia ferroelettrico che completamente liquido, che porta a un'ampia gamma di effetti fisici inediti. In questo lavoro di tesi, abbiamo utilizzato un cristallo ferroelettrico, il Niobato di Litio, come piattaforma per manipolare e studiare la risposta del fluido ferroelettrico, sfruttando gli effetti piroelettrici e fotovoltaici del solido che convertono gli stimoli termici e luminosi in campi elettrici. Si studiano fenomeni elettrodinamici come l'instabilità di forma e il movimento dielettroforetico e si studiano la topologia dei domini polari in celle sottili. Dimostriamo anche il controllo ottico di tutti questi fenomeni, utilizzando substrati di Niobato di Litio irradiati da un laser focalizzato. In particolare, è possibile indurre e manipolare l'emissione di getti di fluido e il movimento delle gocce; d'altra parte, lo spot laser può generare un allineamento radiale dei domini polari, domini twistati o linee di difetto, a seconda della configurazione del setup. I risultati qui riportati contribuiscono alla comprensione del comportamento fisico di questa nuova classe di fluidi complessi e costituiscono un punto di partenza per progettare nuove applicazioni tecnologiche nel campo dell'opto-microfluidica, della robotica fluida e del poling ottico in sistemi liquidi.