Введение к работе
Актуальность темы и объект исследования. Жидкие кристаллы являются перспективным материалом для совершенствования действующих и разработки новых электронных устройств. Исследование неравновесных свойств нематических жидких кристаллов (НЖК) позволяет получить данные, необходимые для определения параметров, характеризующих электронные устройства с жидким кристаллом в качестве рабочего тела, а также для развития гидродинамики и молекулярно-статистического описания нематической фазы. Возможность получения решений уравнений, описывающих движение директора нематической фазы в периодически меняющихся магнитных полях, позволяет применять результаты экспериментальных исследований кинетики ориентационных процессов для анализа адекватности выводов гидродинамики. Существует два режима движения директора в ротационном магнитном поле в зависимости от индукции и угловой скорости вращения магнитного поля и термодинамических параметров состояния. В области низких температур нематической фазы синхронное движение вектора индукции и директора реализуется при малых значениях угловых скоростей вращения магнитного поля. Это ограничивает точность измерения параметров релаксационных процессов. Новые возможности открывает применение в качестве ориентирующего магнитного поля, у которого вектор индукции перемещается по поверхности конуса с регулируемым углом при вершине конуса. Коническое магнитное поле может быть использовано для исследования релаксационных свойств как нематической так и смектической-С фазы.
Экспериментальные исследования релаксационных свойств жидких кристаллов (ЖК) ограничены, главным образом изучением тонких образцов, где определяющее влияние на ориентацию молекул НЖК оказывает поверхность. Использование ультразвука дает возможность изучать ориентационные процессы в образцах больших линейных размеров. В этом случае размеры образца существенно превышают магнитную длину когерентности, то есть ориентирующим воздействием поверхностей на структуру ЖК можно пренебречь. Преимуществом акустического метода является также возможность изменения значения параметра со'тт где тт - это время релаксации т-го релаксационного процесса, со=2ж/,/ является частотой ультразвука.
В представленной работе методом акустической спектроскопии выполнены исследования кинетики ориентационных процессов в нематической фазе (включая области мезоморфных превращений) ориентированной магнитным полем, вектор индукции которого движется по поверхности конуса.
Исследована смесь нематических жидких кристаллов ЖК-440, характеризующаяся широким температурным диапазоном нематической фазы. Это позволяет выполнять измерения в условиях, когда влиянием критических явлений на результаты эксперимента в нематической фазе можно пренебречь. Наличие смектической-А фазы у второго исследованного вещества - п-н-бутоксибензилин-п-бутиланалина (БББА), обусловливает большие значения диссипативных коэффициентов в низкотемпературной области нематической фазы. Это дает возможность реализовать достоинства магнитного поля, вектор индукции которого движется по поверхности конуса, при исследовании кинетики ориентационных процессов.
Объект исследования: нематические жидкие кристаллы: смесь ЖК-440 и п-н-бутоксибензилин-п-бутиланалина (БББА).
Цели и задачи работы. Основной целью диссертации является изучение влияния параметров периодически меняющегося магнитного поля и температуры на кинетику релаксационных процессов в НЖК, включая области фазовых переходов, акустическим методом. Достижение данной цели потребовало решения следующих задач:
- разработка методики и создание установки для экспериментального исследования методом акустической спектроскопии динамики ориентационных процессов в НЖК в
магнитных полях, вектор индукции которых движется по поверхности конуса,
- экспериментальное определение акустических и частотных параметров,
характеризующих релаксационные свойства НЖК,
построение модели, описывающей перемену частотных и амплитудных параметров коэффициента поглощения ультразвука в зависимости от времени в ротационных и конических магнитных полях,
изучение экспериментальных данных релаксационных свойств жидких кристаллов в области фазовых переходов.
Решение поставленных задач потребовало разработки методики получения периодически меняющихся магнитных полей различных конфигураций.
Предметом исследования является экспериментальное исследование и
интерпретация кинетики ориентационных процессов в НЖК в меняющихся со временем магнитных полях, а также связь диссипативных коэффициентов и их комбинаций с термодинамическими параметрами состояния с позиций гидродинамики НЖК и молекулярно-статистических теорий нематической фазы, включая области полиморфных превращений.
Научная новизна работы и положения, выносимые на защиту.
-
Предложена методика и создано оригинальное экспериментальное устройство для акустических исследований процессов релаксации жидких кристаллов, ориентированных магнитными полями различных конфигураций.
-
Установлен характер влияния угловой скорости вращения, ориентации и значения индукции магнитного поля на кинетику ориентационных процессов и коэффициент поглощения ультразвука в НЖК, включая области полиморфных превращений.
-
Получена зависимость от ориентации, угловой скорости вращения и значения индукции ориентирующего магнитного поля фазовой характеристики коэффициента поглощения ультразвука в жидких кристаллах.
-
Доказано согласие выводов гидродинамической теории НЖК для магнитного поля, у которого вектор индукции движется по поверхности конуса, и кругового ротационного магнитного поля экспериментальным данным.
-
Рассчитаны коэффициенты вязкости НЖК и их комбинации и выполнен анализ их температурной зависимости в рамках молекулярно-статистических теорий НЖК.
Достоверность результатов исследования обеспечена использованием
современных методик получения и обработки информации, использованием известных и
обоснованных положений фундаментальной физики и математики, корректным анализом
погрешностей результатов измерений, соответствием полученных результатов
экспериментальных исследований выводам теоретических моделей нематической фазы.
Практическая значимость результатов исследований состоит в разработке
оригинальной методики и создании исследовательской установки для изучения
релаксационных свойств жидких кристаллов методом акустики. Полученные
экспериментальные результаты являются основой для уточнения выводов гидродинамики
НЖК и развития молекулярно-статистического описания мезофазы. Массив
экспериментальных данных может быть использован для расчета материальных
коэффициентов, характеризующих параметры электронных устройств с
жидкокристаллическим рабочим телом.
Апробация работы. Результаты работы обсуждены и изложены на следующих конференциях.
1. III Международной конференции «Актуальные проблемы молекулярной акустики и
теплофизики». Курск. – 6 – 8 ноября 2012 г.
2. VI Всероссийской научной конференции «Физико-химические процессы в
конденсированном состоянии и на межфазных границах» «ФАГРАН-2012». Воронеж. ВГУ
- – 15-18 октября 2012 г.
3. XIII Международной научной конференции «Физика диэлектриков». Санкт-Петербург. 2-
4
6 июня 2014 г.
4. IV Международной конференции «Актуальные проблемы молекулярной акустики и
теплофизики». Курск. – 15-17 сентября 2014 г.
5. VII Всероссийской научной конференции «Физико-химические процессы в
конденсированном состоянии и на межфазных границах» «ФАГРАН-2015». Воронеж. ВГУ.
– 10-13 ноября 2015 г.
6. Конференции МГОУ «Физические свойства материалов и дисперсных сред для
элементов информационных систем, наноэлектронных приборов и экологичных
технологий». – 20 апреля 2017 г.
7. XIV Международной конференции «Физика диэлектриков (Диэлектрики-2017)». Санкт-
Петербург. 29 мая-2 июня 2017 г.
8. Ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава
Воронежского ГАУ (20112017 г. г).
9. 14-й Европейской конференции по жидким кристаллам. Москва. МГУ. 25-30 июня 2017
г.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 23 научных работах. Из них 7 работ опубликовано в журналах, входящих в перечень Высшей аттестационной комиссии.
Личный вклад автора заключается в разработке экспериментальной установки и ее узлов, проведении измерений, обработке и анализе экспериментальных результатов. В совместных публикациях постановка задачи, обсуждение методов и результатов исследований принадлежит авторам в равных долях. В диссертацию включены результаты, которые получены соискателем самостоятельно.
Объем и структура диссертации. Диссертация содержит введение, четыре главы, заключение и список литературы. Объем диссертации составляет 141 страницу, в том числе 99 рисунков и 14 таблиц в тексте диссертации и 6 таблиц приложения. Список литературы состоит из 94 наименований, включая работы диссертанта по теме исследований.