Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Обзор теоретических и экспериментальных исследований ориентационных процессов в ЖК 10
1.1. Теоретические исследования динамических свойств нема-тических жидких кристаллов 10
1.2. Диэлектрические свойства ЖК в магнитных полях 20
1.3. Влияние статического магнитного поля на акустические свойства НЖК 33
1.4. Экспериментальные исследования ориентационной релаксации в НЖК 38
1.5. Постановка задачи, выбор объектов и методов исследования 43
Глава II. Методика исследования ориентационных свойств ЖК в изменяющихся магнитных полях 47
2.1. Методические особенности экспериментальных исследований акустических и диэлектрических свойств НЖК, ориентированных магнитным полем 48
2.2. Установка по исследованию релаксационных свойств НЖК в статическом магнитном поле 53
2.3. Установка по исследованию ориентационных свойств НЖК во вращающемся-, и пульсирующем магнитных полях 68
2.4. Компьютерный измерительный комплекс и методика проведения экспериментов 75
2.5. Контрольные измерения и оценка погрешностей эксперимента 77
Глава III. Результаты экспериментальных исследований 82
3.1. Комплексная диэлектрическая проницаемость и её анизотропия в статическом магнитном поле 82
3.2. Коэффициент поглощения ультразвука и его анизотропия в статическом магнитном поле 92
3.3. Временные зависимости диэлектрических и акустических параметров НЖК в пульсирующем магнитном поле 103
3.4. Анизотропия диэлектрической проницаемости и анизотропия коэффициента поглощения ультразвука во вращающемся магнитном поле 110
Глава IV. Анализ результатов экспериментальных исследований 115
4.1. Анализ акустических спектров поглощения в нематической фазе ЖК 115
4.2. Релаксационный характер анизотропии диэлектрических и акустических параметров ЖК 120
4.3. Ориентационная релаксация НЖК в синхронном режиме вращения магнитного поля 122
4.4. Ориентационная релаксация нематических ЖК в пульсирующем магнитном поле 125
Заключение 139
Литература 141
Приложение 153
- Диэлектрические свойства ЖК в магнитных полях
- Установка по исследованию релаксационных свойств НЖК в статическом магнитном поле
- Коэффициент поглощения ультразвука и его анизотропия в статическом магнитном поле
- Релаксационный характер анизотропии диэлектрических и акустических параметров ЖК
Введение к работе
Актуальность проблемы. Ориентационно упорядоченные конденсированные системы, жидкие кристаллы, представляют повышенный интерес как для фундаментальных, так и для прикладных исследований.
Экспериментальные и теоретические исследования физико-химических свойств жидких кристаллов (ЖК) продолжают оставаться активно развивающейся областью молекулярной физики, что обусловлено несколькими причинами: во-первых, уникальным сочетанием в ЖК свойств, характерных для классических жидкостей и для кристаллических тел; во-вторых, их широким использованием в системах записи, отображения, обработки и хранения информации.
Для осуществления целенаправленного синтеза новых жидкокристаллических соединений с заданными вязкоупругими и акустоэлек-трическими свойствами необходима информация о теплофизических и релаксационных параметрах имеющихся соединений. Молекулярно-статистические модельные расчеты также требуют экспериментальной проверки.
Исследования ориентационных явлений в жидких кристаллах с различным знаком анизотропии диэлектрической проницаемости в изменяющихся во времени и пространстве внешних полях представляют интерес для уточнения динамики процессов межмолекулярного взаимодействия, связанных с переориентацией директора в макроскопических образцах, а также являются эффективным средством изучения их внутренней структуры.
Одной из отличительных особенностей жидких кристаллов является их способность заметно изменять свою структуру под действием внешних электрических и магнитных полей, которые являются причиной возникновения анизотропии ряда физических свойств ЖК.
На регистрации изменений данных анизотропных свойств основано множество методов исследования ориентациейных процессов в ЖК: магнитно-резонансный метод, рентгено-структурныи, метод рассеивания нейтронов, оптический и др.
Для изучения влияния внешних электрических и магнитных полей на структуру ЖК необходимо проводить исследования в достаточно больших образцах ЖК, которые подвержены лишь незначительному влиянию ограничивающих поверхностей. Линейные размеры таких образцов должны значительно превышать магнитную длину когерентности.
В этом случае наиболее подходящими являются методы акустической и диэлектрической спектроскопии, позволяющие изучать объёмные свойства мезофазы, без искажений ориентационной структуры, вызываемых ограничивающими поверхностями, в широком временном и температурном интервалах. Кроме того данные методы исследований имеют чрезвычайно широкий частотный диапазон от 102 — 109 Гц. Такая способность к широкому варьированию параметром ш • тт, где ш - частота, тт - время релаксации m-го процесса, незаменима при изучении релаксационных свойств ЖК.
Анизотропное поглощение ультразвука и анизотропия диэлектрической поляризации, регистрируемое в экспериментах, содержит информацию не только о быстрых внутримолекулярных процессах, но и о процессах медленной ориентационной релаксации.
Ультразвуковые и диэлектрические измерения, зондирующие ориен-тационную структуру объёмных жидкокристаллических образцов, позволяют исследовать поведение жидких кристаллов в изменяющихся внешних полях. Динамика ориентации жидких кристаллов в таких полях, в частности, её релаксационные параметры, в свою очередь, дают возможность определить диамагнитные, диэлектрические и реологические параметры жидких кристаллов при различных температурах и давлениях.
Поэтому актуальной задачей молекулярной физики и теплофизики ЖК и их растворов является изучение кинетики и термодинамики ориента-ционных эффектов и процессов межмолекулярной перестройки в широких временном и температурном интервалах.
Цель работы. Основной задачей диссертации является экспериментальное исследование динамики ориентационных процессов нематических жидких кристаллов (НЖК) с положительной (ЖК-1282) и с отрицательной (ЖК-440) анизотропией диэлектрической проницаемости в поли- и монодоменных образцах больших объёмов акустическим методом и методом радиодиэлектрической спектроскопии под действием изменяющихся полей. Решение этой задачи включает:
- создание компьютерного измерительного комплекса и совершенствование методики изучения релаксационных свойств НЖК во вращающихся и пульсирующих магнитных полях при изменяющихся термо- динамических параметрах состояния и индукций магнитного поля;
- измерение анизотропных акустических и диэлектрических параметров НЖК в образцах, ориентированных статическим магнитным полем с различной ориентацией и величиной магнитной индукции в широком температурном интервале в условиях варьирования частотой внешних акустических и электрических возмущений.
- экспериментальное исследование методами акустической и диэлектрической спектроскопии динамики ориентационных изменений в моно- и полидоменных образцах НЖК на воздействие пульсирующих и вращающихся магнитных полей.
- сопоставление длительностей ориентационных процессов, исследованных методами акустической и диэлектрической спектроскопии в НЖК с положительной и отрицательной анизотропией диэлектрической проницаемости.
- проведение теоретического анализа экспериментальных данных на ос нове феноменологических и молекулярно-статистических теорий жид кокристаллического состояния вещества.
Научная новизна работы состоит в том, что:
- усовершенствованы методики исследования ориентационных явлений в пульсирующих и вращающихся магнитных полях акустическим методом и методом диэлектрической спектроскопии и создан компьютерный измерительный комплекс, позволяющий автоматизировать процесс проведения эксперимента.
- получены экспериментальные данные, характеризующие динамику поведения НЖК в пульсирующих и вращающихся магнитных полях в широком температурном интервале существования мезофаз при различных индукциях магнитного поля.
- исследовано влияние температуры и индукции магнитного поля на времена ориентационной релаксации в полидоменных и монодоменных образцах НЖК с положительной и отрицательной анизотропией диэлектрической проницаемости.
- проведено сопоставление результатов измерения времени релаксации ориентационной структуры во вращающемся и пульсирующем магнитном поле, полученных акустическим методом и методом диэлектрической спектроскопии.
- выполнен анализ экспериментальных данных, установлена связь между временными изменениями коэффициента поглощения ультразвука, диэлектрической проницаемости и параметрами ЖК, определяющими их динамические свойства.
Практическая ценность. Созданный компьютерный измерительный комплекс позволяет использовать разработанные методики проведения исследований динамических свойств широкого класса анизотропных жидкостей в статических и переменных магнитных полях методами акустической и диэлектрической спектроскопии. Полученные экспериментальные результаты позволяют определить физические параметры, характеризующие кинетику молекулярных процессов, межмолекулярные взаимодействия, связи молекулярной структуры с акустическими и диэлектрическими характеристиками НЖК и их смесей, а также являются основой для дальнейшего совершенствования теории динамических свойств НЖК. Доказана высокая информативность применения метода диэлектрической спектроскопии для исследования динамики ориентационных процессов в поли- и монодоменных образцах НЖК в малых объёмах вещества. Полученные численные значения параметров НЖК (анизотропия диэлектрической проницаемости и поглощения ультразвука, времена ориентационной релаксации, коэффициента вращательной вязкости) могут быть использованы при составлении таблиц справочных данных по акустическим и диэлектрическим свойствам мезоморфных жидкостей, необходимых для целенаправленного синтеза новых жидкокристаллических соединений и при разработке новых технических устройств, использующие ЖК в качестве рабочих тел и реализующих анизотропные акустические и диэлектрические свойства мезоморфных жидкостей. Автор защищает:
- результаты методических и конструкторских разработок, позволяющих изучать динамику ориентационных процессов в моно- и поли --9 доменных образцах НЖК с положительной и с отрицательной анизотропией диэлектрической проницаемости методом акустической и радиодиэлектрической спектроскопии;
- результаты экспериментальных исследований влияния статических и переменных магнитных полей/на акустические и диэлектрические параметры и времена ориентационной релаксации нематических жидких кристаллов ЖК-1282 и ЖК-440;
- результаты анализа экспериментальных данных.
Работа содержит из введение, четыре главы, список литературы и приложение. В первой главе диссертации представлен обзор теоретических и экспериментальных работ по исследованию релаксационных процессов в НЖК, находящихся под действием статических и переменных магнитных полей. Проанализирована связь данных процессов с.диэлектрическими и акустическими свойствами и молекулярно-кинетическими параметрами НЖК. Во второй главе приведено описание методики исследования релаксационных и динамических свойств объёмных образцов анизотропных жидкостей в статических, пульсирующих и вращающихся магнитных полях в широком температурном диапазоне на основе методов акустической и диэлектрической спектроскопии, а также представлены результаты контрольных измерений и анализ погрешностей эксперимента. В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований акустических и диэлектрических свойств ЖК-1282 и ЖК-440 в статических, пульсирующих: и вращающихся магнитных полях. Четвёртая глава посвящена анализу результатов экспериментальных исследований с точки зрения существующих теоретических представлений об ориентационной динамике НЖК. В заключении сформулированы основные результаты и выводы. Приводится список литературы из 148 наименований и приложение.
Диэлектрические свойства ЖК в магнитных полях
Исследование ориентационных процессов в объёмных образцах ЖК, наряду с акустическим методом, весьма удобно проводить, воздействуя на образец ЖК электрическим полем и регистрируя изменения анизотропных диэлектрических параметров, таких как диэлектрическая проницаемость и электропроводность [55, 56]".
Для вещества, состоящего из неполярных молекул, поляризация включает две составляющие: электронную и ионную, объединяемые под общим названием «деформационная». В веществе с полярными молекулами, т.е. молекулами, обладающими постоянным дипольным моментом, добавляется еще ориентационная поляризация, связанная с тенденцией постоянных дипольных моментов ориентироваться параллельно электрическому полю. Для изотропных жидкостей диэлектрическая проницаемость изотропна. В твердых телах проницаемость обычно анизотропна, но ди-польные моменты молекул при этом практически фиксцрованы и поэтому ориентационная поляризация несущественна. В случае же жидких кристаллов возникает сложная ситуация, когда анизотропная проницаемость сочетается с жидкостным поведением вещества.
В случае нематических жидких кристаллов диэлектрическая проницаемость характеризуется двумя значениями: єц - диэлектрическая проницаемость, измеренная вдоль направления длинных осей молекул (параллельно директору), и є± -диэлектрическая проницаемость, измеренная поперек направления длинных осей молекул (перпендикулярно директору).
Теория диэлектрической поляризаций ЖК, учитывающая наличие ориентационного порядка, предложена Майером и Мейером [57]. За основу авторами принята теория Онзагера (для статической поляризации жидкости) [58], в котором молекула моделируется сферой, заполненной средой с анизотропной поляризуемостью, и точечным диполем в центре её.
Выражение (1.24) удовлетворительно описывает целый ряд характерных особенностей для диэлектрической анизотропии жидких кристаллов с полярными молекулами. Из (1.24) видно, что Ає зависит от поляризуемости молекулы, величины дипольного момента, степени упорядоченности и угла между дипольным моментом и осью максимальной поляризуемости молекулы. При Р « 55 (когда 3 cos2 /3 = 1) вклады ориентационной составляющей в єц и є± становятся одинаковыми и Ає = 0. Вклад диполя в Ає положителен для /3 55 и отрицателен для /3 55 Таким образом, для НЖК, молекулы которых имеют продольный момент, Ає 0, а для НЖК, молекулы которых имеют поперечный дипольный момент, Ає 0.
Температурная, зависимость определяется членом S/T, так что Дє увеличивается с уменьшением температуры за исключением специального случая, когда Ає 0, и зависимость Ає от температуры становится более сложной.
Сопоставление теории с имеющимися экспериментальными данными обнаруживает количественное несоответствие [60, 61, 62] между величинами Є[, Єї, єиз, рассчитанными по формулам (1.22), (1.23), (1.24) с использованием молекулярных параметров й, Да, , /3 и экспериментально определенными єц, є_і_, єиз. Средняя диэлектрическая проницаемость є — (єц -f 2ej_)/3 не совпадает в точке перехода жидкий кристалл-изотропная фаза с диэлектрической проницаемостью в изотропной фазе [61, 62]. В экспериментальных исследованиях в точке просветления наблюдается скачок средней молярной восприимчивости. Это, как указывали сами авторы, связано с пренебрежением диэлектрической анизотропией среды при расчете локального поля. Кроме того, из формулы (1.24) следует, что знак диэлектрической анизотропии НЖК Ає должен совпадать со знаком электрического двойного лучепреломления растворов НЖК. Однако для ряда НЖК это не выполняется [61, 62].
Кузнецов А. К, Лифшиц В. А. и Ческис С. Г. [65, 66] распространили сферическую модель Онсагера на случай анизотропной среды. Фиксированная модель ЖК, характеризующаяся постоянным дипольным моментом и тензором поляризуемости, представляется находящейся в центре сферы. Остальные молекулы мезофазы аппроксимируются непрерывной средой-тензором диэлектрической проницаемости. Из полученных ими соотношений следует, что в отличии от теории Майера-Мейера, величина анизотропии молярной восприимчивости не пропорциональна степени ориентационного порядка. Значение средней молярной восприимчивости в мезофазе не определяется соотношением для молярной восприимчивости в изотропной фазе. В изотропной фазе величина молярной восприимчивости зависит не только от величины постоянного дипольного момента, но и от значения угла /3. В работе [65] авторы провели количественную оценку своей теории и теории Майера-Мейера на примере n-азоксианизола (ПАА). Авторы отметили, что их соотношения дают лучшее согласие с экспериментом, чем теория Майера-Мейера, и в первую очередь это касается температурного хода молярной диэлектрической восприимчивости Аа и величины скачка (а) в точке просветления, который по знаку и порядку величины совпадает с экспериментом. Однако полученные выражения сложны для непосредственного анализа. W. H. De Jeu, Т. W. Lathouwere и P. J. Bordewijk обобщили статистическую теорию Кирквуда-Фрёлиха на случай жидких кристаллов [68, 69, 70] заменяя макроскопический сферический объем с рассматриваемыми молекулами, погруженный в бесконечный изотропный диэлектрик, на макроскопический сфероид в однородном анизотропном диэлектрике с проницаемостью єц и є±.
Цветков В. Н. [61, 62] предложил ввести в теорию Майера-Мейера эмпирические параметры х\ и #2, которые учитывают ограниченность вращения полярных молекул ЖК вокруг поперечной и продольных осей, а также возможное отличие измеряемого в эксперименте на низких частотах є(ш) от статического значения е(0), для которого построена теория Майера-Мейера.
Установка по исследованию релаксационных свойств НЖК в статическом магнитном поле
Исследования релаксационных свойств НЖК, ориентированных статическим магнитным полем в интервале температур от 273 до 350 К в условиях атмосферного давления проводились на установке, эскиз которой приведен на рис. 2.1. Конструктивной особенностью экспериментальной установки является применение блоков-модулей, реализующие различные функциональные узлы и позволяющие проводить измерения либо диэлектрических, либо акустических анизотропных параметров НЖК. Диэлектрическая или акустическая измерительная ячейка (1) (Блок А), заполненная исследуемым веществом, помещена в автоклав (2) (Блок В), который неподвижно закреплен между полюсами постоянного магнита (3), создающего магнитное поле индукцией 0,28 Тл и установленного на подвижной платформе поворотного стенда для поверки гиропри-боров УПГ-56 (Блок С).
Ось вращения платформы (14) перпендикулярна вектору напряженности электрического поля Е диэлектрической измерительной ячейки или — перпендикулярна волновому вектору К распространения ультразвука (при размещении между полюсами магнита акустической измерительной ячейки). На подвижной платформе (12) поворотного стенда через каждые 10 установлены прямоугольные лепестки (8) датчика угла поворота (7), причём один из них (10) имеет большую, чем остальные лепестки длину и служит реперной меткой, соответствующей взаимному расположению /.(В,К) = 0 (для акустической ячейки) или Z(J3,J5) = 0 (для диэлектрической ячейки).
Структурная схема экспериментальной установки по исследованию релаксационных процессов ЖК в статическом магнитном поле. 1. Измерительная ячейка (Блок А). 2. Автоклав. 3,4 Система контроля температуры. 5. Постоянный магнит. 6. Поворотный стенд для поверки гироприборов УПГ-56 (Блок С). 7. Датчик угла поворота. 8. Лепестки датчика угла поворота. 9. Реперный датчик. 10. Лепесток реперного датчика. 11. Электронный блок акустического или диэлектрического спектроскопа (Блок D). 12. Подвижная платформа поворотного стенда УПГ-56. 13. Блок регистрации и обработки данных (Блок Е) электрических и акустических параметров НЖК при различных ориента-циях директора.
Для измерения диэлектрических характеристик жидких кристаллов использовалась измерительная ячейка, эскиз которой приведён на рис. 2.2. Диэлектрическая измерительная ячейка представляет собой плоский многопластинчатый конденсатор, состоящий из шести электродов (1) и двух второпластовых прижимных оснований (2). Измерительная ячейка помещается в стеклянную цилиндрическую кювету (3), которая жестко закреплена к держателю (4) с помощью четырёх соединительных винтов (5), при этом выводы (6) измерительного конденсатора фиксируются в разъёмах (7), припаянных к коаксиальному кабелю (8).
Измерительный конденсатор изготовлен из немагнитной нержавеющей стали марки 10Х17Н13М2Т. Размеры пластин конденсатора составляют 15X30 мм и удовлетворяют условию квазистационарности, а расстояние между между ними - 1,5 мм, что значительно больше магнитной длины когерентности.
Воздушная ёмкость измерительного конденсатора составляет Ср = 30,4 ± 0,1 пФ, а паразитная Сп = 15,2 пФ. Объём заливаемого в измерительную ячейку исследуемого вещества не превышает 6 мл.
Для поддержания во время эксперимента постоянной температуры исследуемого вещества измерительная ячейка помещалась в двухконтур-ный воздушный термостат (рис.2.3), который имеет электронную систему управления и позволяет обеспечить точность задания температуры не хуже 0,1С, при этом временная нестабильность температуры поддерживается на уровне ±0,05С.
Конструкция термостата представляет собой медный стакан (1), на который бифилярно намотан провод электрического нагревателя первого контура термостатирования (3), помещенный в термоизоляционную оболочку. Поверх термоизоляционной оболочки первого контура термостатирования размещается аналогичный нагреватель второго контура (4), защищенный тепловой изоляцией (5) от влияния окружающей среды. Термометр первого контура (6) имеет контакт с корпусом измерительной ячейки, термометр второго контура (7) располагается в непосредственной близости от нагревателя.
Для обеспечения оптимальных условий термостатирования разность температур между нагревателями первого и второго контура поддерживалась в пределах 4..8С. С помощью юстировочного стола измерительная ячейка может перемещаться в вертикальной и горизонтальных плоскостях (регулировочные винты 13, 11, 12) и вращаться относительно вертикальной оси (винт 10). Котировочный стол позволяет с погрешностью не хуже 0,5 установить положение измерительной ячейки таким образом, чтобы ось, проходящая через центры пластин электродов измерительного конденсатора, совпадала с осевой линией кернов магнита (14), а ось симметрии автоклава совместилась с осью вращения магнита (15).
Коэффициент поглощения ультразвука и его анизотропия в статическом магнитном поле
Статическое магнитное поле ориентирует молекулы НЖК и изменение преимущественного направления молекул относительно волнового вектора, и вектора электрического поля, существенным образом сказывается на акустических и диэлектрических параметрах ЖК.
Характерной особенностью НЖК является существование насыщающего значения индукции магнитного поля, что связано с наличием в жидком кристалле различного рода включений, дислинаций и сложных граничных условий. Исследования, проведенные в образце ЖК-1282 на частоте 6,3 МГц, когда акустический путь составляет 0,01 м, показали, что коэффициент поглощения ультразвука в магнитном поле параллельной ориентации скц//2 увеличивается, а в поле ортогональной ориентации с ±//2 уменьшается относительно его значения в неориентированном образце (рис.3.15). Наибольшие изменения коэффициента поглощения ультразвука происходят при увеличении индукции от 0 до 0,1 Тл (рис.3.15). Дальнейшее повышение магнитной индукции практически не изменяет коэффициента поглощения ультразвука, т.е. относительно слабые магнитные поля практически полностью ориентируют образец НЖК и его можно считать монодоменным.
Так, например, в образце ЖК-1282 увеличение индукции магнитного поля от 0,13 Тл до 0,33 Тл приводит к возрастанию коэффициента поглощения в параллельном поле на величину, не превышающую 5%. Кроме того, на индукционной зависимости a/ f2 наблюдается асимметрия влияния магнитного поля параллельной и перпендикулярной ориентации на коэффициент поглощения ультразвука. Экспериментальные зависимости а(В) удовлетворительно описываются выражением: ( 2В2-б\ 1Г = 12 \ %). где Вн - характерное значение магнитного поля.
В этом случае директор НЖК перпендикулярен направлению распространения ультразвука и коэффициент поглощения определяется выражением: Х± 27Г2 где г/2 и г/4 - сдвиговая и объёмная вязкости, не исчезающие в изотропной фазе и связанные с коэффициентами Лесли соотношениями: v% = 20:4, щ = 2ді. Коэффициент поглощения ультразвука на низкой частоте вдали от температуры фазового перехода как в нематической, так и в изотропной фазах исследованных НЖК имеет относительно малое значение (рис.3.16). В низкотемпературной области нематического состояния (AT ЗОК) наблюдается слабая температурная зависимость о;±//2. При приближении к температуре фазового перехода Тс экспериментально установлено возрастание коэффициента поглощения ультразвука, причем со стороны изотропной фазы кривая поглощения идет более круто, чем со стороны нематической фазы (рис.3.16).
— 95 Поглощение ультразвука в изотропной фазе вдали от фазового перехода слабо зависит от частоты ультразвука. Вблизи фазового перехода форма максимума сохраняется, но уменьшается с ростом частоты.
Провести измерения амплитуды акустического сигнала на низкой частоте при температурах близких к Тс чрезвычайно трудно из-за сильно развитых флуктуации. Это обстоятельство не позволяет получать надежные данные по OJJL//2 в области фазового перехода (в отличие от измерений на высоких частотах), и экстремальные значения а±//2 определены как значения, соответствующие пересечению зависимостей cx±/f2 и о;//2, экстраполированных из нематической и изотропной фаз. Во всей области существования нематической фазы наблюдается частотная зависимость, особенно заметная в окрестности Тс\ (a±/f2)Q 7 мг (а±//2)27МГц(рис. 3.3) Возрастание частоты ультразвука в исследованном интервале температур, особенно в нематической фазе, приводит к значительному уменьшению поглощения ультразвука. По мере удаления от Тс этот эффект заметно ослабевает. В изотропной фазе вдали от перехода поглощение слабо зависит от частоты. Поглощение ультразвука для ЖК-1282 в исследованном интервале частот можно удовлетворительно описать уравнением с одним временем релаксации гэф. Р 1 + {штэфу Параметр А представляет собой прирост поглощения, вызванный данным релаксационным процессом и является функцией температуры, а также зависит от степени ориентации НЖК. Параметр В включает в себя поглощение, которое обусловлено сдвиговой вязкостью, и вклады всех более высокочастотных релаксационных процессов. В зависимости от термодинамических параметров состояния коэффициенты А и В ведут себя аналогично поглощению, стремясь вблизи просветления к максимуму. Отклонение экспериментальных величин a±/f2 от рассчитанных по уравнению (3.3) не выходит за рамки погрешностей измерений.
Анизотропия поглощения ультразвука в НЖК проявляется, в частности, в зависимости коэффициента поглощения ультразвука от угла взаимной ориентации директора и волнового вектора. На рис. 3.17 и в табл. ... представлены значения анизотропии коэффициента поглощения ультразвука на квадрат частоты Aa/f2 — a"/f2—aL/f2 в магнитном поле индукцией 0,28 Тл при различных частотах. Во всём интервале существования нематической фазы Aa/f2 0, т.е. ск"//2 «х//2- На низких частотах с повышением температуры (AT 1ЪК) величина анизотропии поглощения ультразвука возрастает и проходит через максимум при температуре Ттах, меньшей Тс. Во всем температурном интервале существования мезофазы анизотропия поглощения ультразвука на высокой частоте меньше по сравнению с ее значением на низкой частоте.
Результаты исследования температурно-частотных зависимостей анизотропии коэффициента поглощения ультразвука показывают, что До; = f(u) носит выраженный релаксационный характер. Существующий на низких частотах максимум вблизи температуры просветления уменьшается по мере увеличения частоты ультразвука. С приближением к температуре просветления эффективное время релаксации резко возрастает.
Сравнение температурно-частотных зависимостей параметров а и Ь показывает их существенное различие в поведении при вариации частоты и температуры. Вблизи фазового перехода (АТС ЬК) эти отличия достигают 20...60%, что связано с малым значением параметра b в этой области температур и, как следствие, с трудностями надёжного разделения вкладов параметров а и b в угловую зависимость анизотропии поглощения ультразвука. В отличие от параметра Ь, для параметра а наблюдается сильная дисперсия во всей области существования нематической фазы, а наблюдаемое возрастание значений а при увеличении температуры обусловлено существенным вкладом критического релаксационного процесса в данный параметр.
Релаксационный характер анизотропии диэлектрических и акустических параметров ЖК
Обнаруженное экспериментально возрастание анизотропии поглощения ультразвука в нематической фазе в окрестности температур фазовых переходов Тс и Ts свидетельствует о существовании релаксационных механизмов, ответственных за анизотропию акустических свойств. Возможное наличие спектра времён релаксации затрудняет анализ частотной зависимости анизотропии поглощения ультразвука. Однако сам факт её существования характеризует релаксационную природу анизотропии акустических параметров.
Вблизи нематико-изотропного перехода тс на порядок превосходит тп и, именно, его значением определяются положение и величина максимума анизотропии поглощения ультразвука. При температурах, отстоящих от Тс на 20 К и более степень влияния тс и тп изменяется. Основной вклад в анизотропию поглощения при этих температурах вносит нормальный релаксационный процесс, связанный с конформационными переходами в концевых цепях молекул и проявляющий слабую температурную зависимость. Рассчитанные значения еп и б малы и это, с достаточной степенью точности, позволяет положить, что еп = 2Асп/с и tk = 2Ack/c. Сравнение значений Ас„/с и Асп/с с данными по относительной анизотропии скорости ультразвука [125] показывает их совпадение по порядку величины для температур, при которых шт = 1. Следует отметить, что значения еп и б& близки по величине.
Согласно теории ориентационной релаксации в НЖК в ротационном магнитном поле возникает фазовый сдвиг между вектором магнитной индукции В и осью наименьшего диамагнетизма (длинной осью молекул), поскольку с длинной осью молекул совпадают є ,, и e j_ , то р - угол между В и наименьшими значениями действительной части диэлектрической проницаемости на фазовой зависимости и наибольшими значениями мнимой части диэлектрической проницаемости, т.е. є. и є соответственно .
Установлено равенство фазовых сдвигов экстремальных значений мнимой и действительной части диэлектрической проницаемости и их тождественность фазовому сдвигу формулы 4.6, подтверждающее предположение о том, что угловая зависимость отражает взаимную ориентацию директора и вектора магнитного поля, что позволяет применить формулу Цветкова для расчета ш 0с к W QC.
Присущее жидким кристаллам конечное время установления ориентационной структуры приводит к появлению характерных особенностей распространения ультразвука в поли- и монодоменных образцах ЖК, под воздействием пульсирующих магнитных полей. Ветцель и др. [96] показали, что при включении магнитного поля время установления равновесного значения коэффициента поглощения ультразвука обратно пропорционально квадрату индукции магнитного поля и практически не зависит от температуры. Как отмечено в литературе [127] [31], экспериментальные кривые в пределах погрешности могут быть описаны уравнением:
В полидоменных образцах НЖК достаточно больших размеров (линейные размеры которых не менее чем на порядок превышают радиус корреляции флуктуации директора) распределение директора можно считать изотропным Q = 0 в отсутствии поля. При включении магнитного поля возникает ориентационно упорядоченная структура с меньшим радиусом корреляции флуктуации директора. За исключением тонких слоев (порядка 300 нм) вблизи поверхности стенок контейнера, содержащего НЖК, ориентация образца определяется направлением магнитного поля. При этом гидродинамические уравнения справедливы для микрообластей НЖК, составляющих в данный момент образец больших размеров [128].
Результаты исследований, изложенные в п. 3.3 показывают, что время установления равновесного значения коэффициента поглощения ультразвука существенным образом зависит от температуры, давления и величины магнитного поля. Временные зависимости относительного изменения коэффициента поглощения ультразвука A a(t)/Aam} где Да"(i) = all (t) — «о? снятые при различных значениях индукции магнитного поля в ЖК-1282 на частоте 6,3 МГц показывают, что увеличение индукции магнитного поля приводит к уменьшению времени установления равновесного значения коэффициента поглощения ультразвука. Из экспериментальных временных зависимостей относительного изменения коэффициента поглощения ультразвука AcxW(t)/Aam, снятых для различных значений температуры видно, что при постоянной индукции магнитного поля с ростом температуры время установления равновесного коэффициента поглощения ультразвука уменьшается.
Приведённые временные зависимости изменения коэффициента поглощения ультразвука сохраняют свой вид и для других (произвольных) случаев взаимной ориентации волнового вектора и вектора магнитной индукции [113]. Однако абсолютные изменения коэффициента поглощения ультразвука в этих случаях меньше, и, поэтому, основной объём информа-ции получен при параллельной ориентации индукции магнитного поля и волнового вектора.
Временные изменения коэффициента поглощения ультразвука после включения магнитного поля имеют вид, характерный для релаксационных процессов и для их количественного анализа можно воспользоваться выражением (4.7), которое позволяет оценить время релаксации т коэффициента поглощения ультразвука в пульсирующем магнитном поле. Однако данное выражение можно использовать лишь при небольших напряжён-ностях магнитного поля. При достаточно больших значениях магнитного поля необходимо учитывать ряд особенностей. Полученное в работе [130] выражение, связывающее изменение коэффициента поглощения ультразвука с ориентацией директора (4.1), предполагает мгновенное включение магнитного поля. В действительности включение магнитного поля происходит не мгновенно.
