Colloidal particles embedded within nematic liquid crystals exhibit strong anisotropic interactions arising from preferential orientation of nematogens near the particle surface. Such interactions are conducive to forming branched, gel-like aggregates. Anchoring effects also induce interactions between colloids dispersed in the isotropic liquid phase, through the interactions of the pre-nematic wetting layers. Here we utilize computer simulation using coarse-grained mesogens to perform a molecular-level calculation of the potential of mean force between two embedded nanoparticles as a function of anchoring for a set of solvent conditions straddling the isotropic–nematic transition. We observe that strong, nontrivial interactions can be induced between particles dispersed in mesogenic solvent, and explore how such interactions might be utilized to induce a gel state in the isotropic and nematic phases.

1.
M. H.
Lee
and
E. M.
Furst
,
Phys. Rev. E
74
,
031401
(
2006
).
2.
D.
Senis
and
C.
Allain
,
Phys. Rev. E
55
,
7797
(
1997
).
3.
J. R.
Weeks
,
J. S.
van Duijneveldt
, and
B.
Vincent
,
J. Phys.: Condens. Matter
12
,
9599
(
2000
).
4.
P. N.
Segrè
,
V.
Prasad
,
A. B.
Schofield
, and
D. A.
Weitz
,
Phys. Rev. Lett.
86
,
6042
(
2001
).
5.
H.
Sedgwick
,
S. U.
Egelhaaf
, and
W. C. K.
Poon
,
J. Phys.: Condens. Matter
16
,
S4913
(
2004
).
6.
J. K.
Whitmer
and
E.
Luijten
,
J. Chem. Phys.
134
,
034510
(
2011
).
7.
T.
Kato
,
Y.
Hirai
,
S.
Nakaso
, and
M.
Moriyama
,
Chem. Soc. Rev.
36
,
1857
(
2007
).
8.
G. G.
Nair
,
S. K.
Prasad
,
R.
Bhargavi
,
V.
Jayalakshmi
,
G.
Shanker
, and
C. V.
Yelamaggad
,
J. Phys. Chem. B
114
,
697
(
2010
).
9.
S. P.
Meeker
,
W. C. K.
Poon
,
J.
Crain
, and
E. M.
Terentjev
,
Phys. Rev. E
61
,
R6083
(
2000
).
10.
P. G.
Petrov
and
E. M.
Terentjev
,
Langmuir
17
,
2942
(
2001
).
11.
D.
Vollmer
,
G.
Hinze
,
W. C. K.
Poon
,
J.
Cleaver
, and
M. E.
Cates
,
J. Phys.: Condens. Matter
16
,
L227
(
2004
);
D.
Vollmer
,
G.
Hinze
,
B.
Ullrich
,
W. C. K.
Poon
,
M. E.
Cates
, and
A. B.
Schofield
,
Langmuir
21
,
4921
(
2005
).
[PubMed]
12.
C.
da Cruz
,
O.
Sandre
, and
V.
Cabuil
,
J. Phys. Chem. B
109
,
14292
(
2005
).
13.
T. A.
Wood
,
J. S.
Lintuvuori
,
A. B.
Schofield
,
D.
Marenduzzo
, and
W. C. K.
Poon
,
Science
334
,
79
(
2011
).
14.
J.
Milette
,
S. J.
Cowling
,
V.
Toader
,
C.
Lavigne
,
I. M.
Saez
,
R. B.
Lennox
,
J. W.
Goodby
, and
L.
Reven
,
Soft Matter
8
,
173
(
2012
).
15.
M.
Roth
,
M.
D'Acunzi
,
D.
Vollmer
, and
G. K.
Auernhammer
,
J. Chem. Phys.
132
,
124702
(
2010
).
16.
M.
Zapotocky
,
L.
Ramos
,
P.
Poulin
,
T. C.
Lubensky
, and
D. A.
Weitz
,
Science
283
,
209
(
1999
).
17.
V. J.
Anderson
,
E. M.
Terentjev
,
S. P.
Meeker
,
J.
Crain
, and
W. C. K.
Poon
,
Eur. Phys. J. E
4
,
11
(
2001
);
V. J.
Anderson
and
E. M.
Terentjev
,
Eur. Phys. J. E
4
,
21
(
2001
).
18.
H.
Stark
,
Phys. Rep.
351
,
387
(
2001
).
19.
C. P.
Lapointe
,
T. G.
Mason
, and
I. I.
Smalyukh
,
Science
326
,
1083
(
2009
).
20.
E. B.
Kim
,
O.
Guzman
,
S.
Grollau
,
N. L.
Abbott
, and
J. J.
de Pablo
,
J. Chem. Phys.
121
,
1949
(
2004
).
21.
O.
Guzmán
,
N. L.
Abbott
, and
J. J.
de Pablo
,
J. Polym. Sci., Part B: Polym. Phys.
43
,
1033
(
2005
).
22.
V.
Tomar
,
T. F.
Roberts
,
N. L.
Abbott
,
J. P.
Hernández-Ortiz
, and
J. J.
de Pablo
,
Langmuir
28
,
6124
(
2012
).
23.
I. I.
Smalyukh
,
O. D.
Lavrentovich
,
A. N.
Kuzmin
,
A. V.
Kachynski
, and
P. N.
Prasad
,
Phys. Rev. Lett.
95
,
157801
(
2005
).
24.
M. R.
Mozaffari
,
M.
Babadi
,
F.
Jun-ichi
, and
M. R.
Ejtehadi
,
Soft Matter
7
,
1107
(
2011
).
25.
E. R.
Soule
and
A. D.
Rey
,
Mol. Simul.
38
,
735
(
2012
).
26.
E. R.
Soule
,
J.
Milette
,
L.
Reven
, and
A. D.
Rey
,
Soft Matter
8
,
2860
(
2012
).
27.
F. R.
Hung
,
O.
Guzman
,
B. T.
Gettelfinger
,
N. L.
Abbott
, and
J. J.
de Pablo
,
Phys. Rev. E
74
,
011711
(
2006
).
28.
G. M.
Koenig
, Jr.
,
I. H.
Lin
, and
N. L.
Abbott
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
107
,
3998
(
2010
).
29.
I.
Musevic
,
M.
Skarabot
,
U.
Tkalec
,
M.
Ravnik
, and
S.
Zumer
,
Science
313
,
954
(
2006
).
30.
M.
Skarabot
,
M.
Ravnik
,
S.
Zumer
,
U.
Tkalec
,
I.
Poberaj
,
D.
Babic
,
N.
Osterman
, and
I.
Musevic
,
Phys. Rev. E
76
,
051406
(
2007
).
31.
M.
Skarabot
,
M.
Ravnik
,
S.
Zumer
,
U.
Tkalec
,
I.
Poberaj
,
D.
Babic
,
N.
Osterman
, and
I.
Musevic
,
Phys. Rev. E
77
,
031705
(
2008
).
32.
M.
Ravnik
and
S.
Žumer
,
Soft Matter
5
,
269
(
2009
).
33.
U.
Tkalec
,
M.
Ravnik
,
S.
Copar
,
S.
Zumer
, and
I.
Musevic
,
Science
333
,
62
(
2011
).
34.
J.-i.
Fukuda
,
H.
Stark
, and
H.
Yokoyama
,
Phys. Rev. E
69
,
021714
(
2004
).
35.
H.
Stark
,
Phys. Rev. E
66
,
041705
(
2002
).
36.
H.
Stark
,
J.-i.
Fukuda
, and
H.
Yokoyama
,
J. Phys.: Condens. Matter
16
,
S1911
(
2004
).
37.
J.-B.
Fournier
and
P.
Galatola
,
Phys. Rev. E
65
,
032702
(
2002
).
38.
P.
Galatola
and
J.-B.
Fournier
,
Phys. Rev. Lett.
86
,
3915
(
2001
).
39.
P.
Galatola
and
J.-B.
Fournier
,
Mol. Cryst. Liq. Cryst.
330
,
535
(
1999
).
40.
P.
Galatola
,
J.-B.
Fournier
, and
H.
Stark
,
Phys. Rev. E
67
,
031404
(
2003
).
41.
A.
Borštnik
,
H.
Stark
, and
S.
Žumer
,
Phys. Rev. E
60
,
4210
(
1999
).
42.
A.
Borštnik
,
H.
Stark
, and
S.
Žumer
,
Phys. Rev. E
61
,
2831
(
2000
).
43.
K.
Kočevar
,
A.
Borštnik
,
I.
Muševič
, and
S.
Žumer
,
Phys. Rev. Lett.
86
,
5914
(
2001
).
44.
O.
Guzman
,
E. B.
Kim
,
S.
Grollau
,
N. L.
Abbott
, and
J. J.
de Pablo
,
Phys. Rev. Lett.
91
,
235507
(
2003
).
45.
F. R.
Hung
,
B. T.
Gettelfinger
,
G. M.
Koenig
,
N. L.
Abbott
, and
J. J.
de Pablo
,
J. Chem. Phys.
127
,
124702
(
2007
).
46.
G. M.
Koenig
, Jr.
,
J. J.
de Pablo
, and
N. L.
Abbott
,
Langmuir
25
,
13318
(
2009
).
47.
R. W.
Ruhwandl
and
E. M.
Terentjev
,
Phys. Rev. E
55
,
2958
(
1997
).
48.
J. Q.
Xu
,
D.
Bedrov
,
G. D.
Smith
, and
M. A.
Glaser
,
Phys. Rev. E
79
,
011704
(
2009
);
P.
Tian
and
G. D.
Smith
,
J. Chem. Phys.
124
,
184701
(
2006
);
[PubMed]
P.
Tian
,
G. D.
Smith
, and
M.
Glaser
,
J. Chem. Phys.
124
,
161101
(
2006
);
[PubMed]
P.
Tian
,
G. D.
Smith
, and
M.
Glaser
,
J. Chem. Phys.
128
,
159901
(
2008
).
[PubMed]
49.
M. P.
Allen
and
D. J.
Tildesley
,
Computer Simulation of Liquids
(
Clarendon
,
Oxford
,
1987
).
50.
D.
Frenkel
and
B.
Smit
,
Understanding Molecular Simulation
, 2nd ed. (
Academic
,
San Diego
,
2002
).
51.
S.
Plimpton
,
J. Comput. Phys.
117
,
1
(
1995
).
52.
W. M.
Brown
,
M. K.
Petersen
,
S. J.
Plimpton
, and
G. S.
Grest
,
J. Chem. Phys.
130
,
044901
(
2009
).
53.
B. J.
Berne
and
P.
Pechukas
,
J. Chem. Phys.
56
,
4213
(
1972
).
54.
J. G.
Gay
and
B. J.
Berne
,
J. Chem. Phys.
74
,
3316
(
1981
).
55.
A.
Laio
and
M.
Parinello
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
99
,
12562
(
2002
).
56.
A.
Barducci
,
G.
Bussi
, and
M.
Parrinello
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
020603
(
2008
).
57.
R.
Berardi
,
C.
Fava
, and
C.
Zannoni
,
Chem. Phys. Lett.
297
,
8
(
1998
).
58.
D. J.
Cleaver
,
C. M.
Care
,
M. P.
Allen
, and
M. P.
Neal
,
Phys. Rev. E
54
,
559
(
1996
).
59.
M. A.
Bates
and
G. R.
Luckhurst
,
J. Chem. Phys.
110
,
7087
(
1999
).
60.
E.
de Miguel
,
L. F.
Rull
,
M. K.
Chalam
, and
K. E.
Gubbins
,
Mol. Phys.
71
,
1223
(
1990
);
E.
de Miguel
,
L. F.
Rull
,
M. K.
Chalam
, and
K. E.
Gubbins
,
Mol. Phys.
74
,
405
(
1991
);
E.
de Miguel
,
L. F.
Rull
,
M. K.
Chalam
,
K. E.
Gubbins
, and
F.
van Swol
,
Mol. Phys.
72
,
593
(
1991
);
E.
de Miguel
,
L. F.
Rull
, and
K. E.
Gubbins
,
Phys. Rev. A
45
,
3813
(
1992
).
[PubMed]
61.
J. A.
Moreno-Razo
,
E. J.
Sambriski
,
G. M.
Koenig
,
E.
Diaz-Herrera
,
N. L.
Abbott
, and
J. J.
de Pablo
,
Soft Matter
7
,
6828
(
2011
).
62.
D.
Antypov
and
D. J.
Cleaver
,
J. Phys.: Condens. Matter
16
,
S1887
(
2004
).
63.
A.
Laio
and
F. L.
Gervasio
,
Rep. Prog. Phys.
71
,
126601
(
2008
).
64.
S.
Singh
,
M.
Chopra
, and
J. J.
de Pablo
,
Ann. Rev. Chem. Biomol. Eng.
3
,
369
(
2012
).
65.
E. B.
Kim
,
R.
Faller
,
Q.
Yan
,
N. L.
Abbott
, and
J. J.
de Pablo
,
J. Chem. Phys.
117
,
7781
(
2002
).
66.
E. B.
Kim
and
J. J.
de Pablo
,
Phys. Rev. E
69
,
061703
(
2004
).
67.
S.
Asakura
and
F.
Oosawa
,
J. Chem. Phys.
22
,
1255
(
1954
);
A.
Vrij
,
Pure Appl. Chem.
48
,
471
(
1976
);
W. B.
Russel
,
D. A.
Saville
, and
W. R.
Schowalter
,
Colloidal Dispersions
(
Cambridge University Press
,
Cambridge, UK
,
1989
).
68.
J.
Frank
,
Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct.
31
,
303
(
2002
).
69.
J. M.
Yuk
,
J.
Park
,
P.
Ericus
,
K.
Kim
,
D. J.
Hellebusch
,
M. F.
Crommie
,
J. Y.
Lee
,
A.
Zettle
, and
P. A.
Alivisatos
,
Science
336
,
61
(
2012
).
You do not currently have access to this content.