V tej disertaciji so predstavljene numerične raziskave mehanike kompleksnih mehkih in bioloških materialov in sicer vzdolž dveh raziskovalnih smeri. Prva raziskovalna smer se osredotoča na topološke strukture v modrih fazah tekočih kristalov (BP), ki so stabilizirane z izrazito kiralno anizotropno elastičnostjo, druga smer pa na uporabo kapljičnih optičnih mikroresonatorjev kot biosenzorjev za lokalno zaznavanje mehanskih lastnosti v mehkih elastičnih in bioloških materialih. Prvi del disertacije je posvečen preučevanju in vizualizaciji mezoskopskih gradnikov modre faze, to so pol-skirmioni ter valjasti skirmionski filamenti. Z uporabo Landau–de Gennesove teorije in površinskega sidranja raziščemo vpliv ograjene geometrije, kjer se omejimo na eksperimentalno relevantno ploščato celico, s posebnim poudarkom na manj raziskani modri fazi BPIII. Z naprednimi vizualizacijskimi tehnikami se 3D-struktura BPIII pokaže kot amorfna tekočina skirmionov z delnim nabojem, stabilizirana s povezano mrežo topoloških defektov. Pri omejitvi na plasti tanjše od približno polovice kiralnega koraka se ta struktura preoblikuje v amorfno kvazi-2D mrežo polskirmionov, med njimi pa se tvorijo navpične disklinacijske črte. Numerično smo izračunali celoten fazni diagram kiralnih struktur. Raziskani sta bili tudi kubični fazi BPI in BPII, še posebej vpliv enodimenzionalnih periodičnih vzorcev površinskega sidranja, ki vsiljujejo določeno usmerjenost in stabilizirajo monokristalno ureditev.
V drugem delu disertacije so predstavljene numerične simulacije in teorija, ki omogočajo razvoj nove metodologije za lokalno merjenje mehanskih lastnosti mehkih in bioloških materialov z obetavnimi biomedicinskimi aplikacijami. V ta namen razvijemo whispering gallery mode (WGM) spektroskopijo, ki preko merjenja spektralnih premikov WGM resonanc v mikrokapljicah omogoča visoko natančno merjenje lomnega količnika, velikosti in oblike kapljice. Dodatno z metodo končnih elementov numerično simuliramo deformacijo tekoče kapljice v mehkem elastičnem materialu, kjer elastokapilarni učinki narekujejo podrobnosti mehanskega odziva kapljice. Simulacija, skupaj z WGM spektroskopijo in dodatnimi eksperimentalnimi meritvami, omogoča merjenje lokalne anizotropne napetosti in Youngovega modula. Na koncu pokažemo uporabo in prednosti WGM spektroskopije še v drugih biosenzorskih aplikacijah, vključno z generiranjem mikrokapljic z natančno določeno velikostjo, kar omogoča kodiranje informacij, ter lokalizacijo mikroresonatorjev v močno sipajočem biološkem tkivu in znotraj celic, ki hkrati omogoča merjenje lokalnih parametrov. Meritve lokalnega lomnega količnika z visoko natančnostjo demonstrirajo zmožnost spremljanja znotrajceličnih sprememb med celičnimi procesi. Rezultati te disertacije prispevajo k boljšemu razumevanju strukture in topologije modrih faz ter odpirajo nove možnosti za uporabo WGM-tehnologij v biomedicini in raziskavah mehkih materialov.
|