Введение к работе
Актуальность работы
Изучение диссипативных структур, возникающих в неравновесных физических, химических, биологических и социальных системах, является одной из самых привлекательных задач науки на протяжении нескольких десятилетий [1]. Жидкие кристаллы (ЖК) - яркий пример такой системы, притягивающий внимание исследователей, благодаря своим уникальным свойствам. ЖК представляет собой анизотропную жидкость, характеризующуюся пространственным упорядочением молекул. Свойства ЖК позволяют изучать явления характерные для изотропных жидкостей, такие как конвекция Релея-Бенара, вихри Тейлора и др., расширяя рамки исследований от изотропных к пространственно упорядоченным средам. С другой стороны, вследствие анизотропии свойств, в ЖК возможны механизмы неустойчивостей, которые не имеют аналога в изотропном случае. Эти неустойчивости могут вести к формированию специфических структур, связанных с анизотропией свойств: структур при сдвиговых течениях, структур индуцированных электрическим и магнитным полями, электроконвективных структур и др. [2, 3]. Кроме того, анизотропия свойств увеличивает количество контрольных параметров, определяющих поведение структур.
Одной из наиболее активно исследуемых неустойчивостей является электроконвективная неустойчивость нематического жидкого кристалла (НЖК). НЖК - это жидкий кристалл, характеризующийся ориентационным упорядочением молекул удлиненной формы. Направление преимущественной ориентации молекул НЖК описывается единичным вектором п, называемым директором [4]. Электроконвективная неустойчивость возникает при приложении к слою НЖК, заключенному между проводящими подложками, напряжения, превышающего некоторое критическое значение. При этом в пороге образуется периодическая система полос, представляющих собой пространственно-периодическую модуляцию поля директора и скорости течения НЖК (электроконвективные роллы). Непрекращающаяся активность в исследованиях электроконвективных структур обусловлена необходимостью изучения возможных механизмов самоорганизации в сложных анизотропных системах. Относительная простота изменения контрольных параметров (амплитуда и частота приложенного напряжения) и высокий оптический контраст возникающих структур вследствие оптической анизотропии НЖК дают значительные преимущества при экспериментальных исследованиях электроконвекции.
Идеи Карра и Хельфриха о механизме развития электроконвекции в анизотропных жидкостях привели к построению стандартной модели электроконвекции [5], в рамках которой были рассчитаны пороговые характеристики
неустойчивостей. Сценарий неустойчивости определяется знаками анизотропии диэлектрической проницаемости еа и проводимости <та, а также исходным распределением поля директора п. С точки зрения стандартной модели, необходимым условием возникновения электроконвективной неустойчивости является положительный знак анизотропии проводимости аа > 0.
Открытие режима так называемой "нестандартной" электроконвекции в НЖК с аа < 0 [6], при котором конвективный механизм Карра-Хельфриха не работает, инициировало дальнейшее развитие теоретических представлений. Нестандартная электроконвекция получила свое объяснение в рамках модели, учитывающей флексополяризацию [7], и дающей хорошее количественное согласие с экспериментальными пороговыми характеристиками.
В отличие от порога образования электроконвективных роллов, который к настоящему времени достаточно детально исследован экспериментально и теоретически, поведение системы в закритической области гораздо менее изучено. Характерной особенностью электроконвекции в НЖК выше порога образования конвективных роллов является большое многообразие вторичных неустойчивостей и сценариев эволюции неравновесных структур, обусловленное различными нелинейными взаимодействиями гидродинамических и ори-ентационных мод. Одним из наиболее важных механизмов, определяющих развитие вторичных неустойчивостей в закритической области, является активация однородной твист моды директора, представляющей собой вращение директора в плоскости ЖК-слоя [8]. Было установлено, что увеличение приложенного переменного напряжения выше порога электроконвекции в пла-нарном слое НЖК приводит к возбуждению твист моды и сопровождается образованием так называемых "анормальных" (abnormal) роллов. Кроме того, взаимодействие твист моды с конвективными модами роллов в переменном электрическом поле может приводить к развитию локальных осцилляции между двумя вырожденными состояниями наклонных роллов (так называемых "зиг" и "заг" роллов). Динамика таких осцилляции представляет собой типичные картины пространственно-временного хаоса. Необходимо отметить, что теоретическая модель [8], описывающая осцилляции в электроконвективных структурах, не учитывает влияние флексоэффекта. Другое ограничение модели связано с тем, что она не принимает во внимание электролитические свойства ЖК. В тоже время, эти эффекты являются существенно важными при электроконвекции в постоянном электрическом поле.
При воздействии постоянного напряжения развитие электроконвекции в закритической области может приводить к формированию двумерной структуры, представляющей собой суперпозицию зиг и заг роллов [9-11]. Потеря устойчивости такой структуры также сопровождается развитием зиг-заг осцилляции. В отличие от случая переменного поля, зиг-заг осцилляции в постоянном поле упорядочены в плоскости ЖК-слоя. Пространственно-вре-
менной порядок этих осцилляции обусловлен их синхронизацией, ведущей к генерации фазовых волн: плоских, спиральных и концентрических [12, 13] и отражает самоорганизацию системы на новом пространственно-временном масштабе. Ранее были описаны некоторые свойства этих зиг-заг осцилляции [11, 12],[А2, А7], однако механизм их возникновения и самоорганизации остается практически не изученным.
Изучение нестационарных электроконвективных структур, поиск новых режимов и эффектов способствуют развитию нелинейной теории электроконвекции. Равным образом, результаты таких исследований представляют интерес для решения фундаментальных вопросов образования и разрушения пространственно-временного порядка в сложных системах.
Цель диссертационной работы
Экспериментальное изучение последовательности структурных переходов в планарном слое НЖК МББА (полное название - п-метоксибензили-ден-п'-бутил анилин), индуцированных электрическим полем; исследование пространственно-временной динамики и эффектов синхронизации в закрити-ческом режиме электроконвекции при воздействии постоянного, переменного и комбинированного напряжений; выбор и апробация модели, качественно описывающей эффекты синхронизации в изучаемой системе.
Научная новизна
В работе впервые показано, что:
в планарном слое НЖК МББА при воздействии постоянного напряжения выше критического возникает система продольных доменов, ориентированных вдоль исходной ориентации директора По;
образование двумерной электроконвективной доменной решетки при воздействии постоянного напряжения сопровождается пороговой деформацией волновых векторов исходной структуры наклонных роллов с варикозной неустойчивостью; переход обладает свойствами докритиче-ской бифуркации;
потеря устойчивости доменной решетки сопровождается возбуждением двух мод доменных осцилляции;
периодическое воздействие на осциллирующую доменную решетку приводит к подавлению фазовых волн и образованию кластеров с полной фазовой синхронизацией;
увеличение постоянной составляющей комбинированного напряжения в режиме развитых доменных осцилляции ведет к значительному росту пространственно-временных корреляций и генерации фазовых волн, аналогичных фазовым волнам при воздействии только постоянного напряжения.
Практическая значимость
Разработанная автоматизированная экспериментальная установка и методы обработки данных могут быть использованы для исследования других эффектов и явлений в ЖК, связанных с изменением пространственно-временного порядка.
Полученные экспериментальные результаты могут быть использованы при построении модели электроконвекции в НЖК с учетом флексопо-ляризации и электролитических свойств НЖК.
Результаты работы могут быть полезны для развития представлений об общих закономерностях возникновения фазовых волн в осциллирующих средах и их свойствах.
Основные результаты и положения выносимые на защиту
При воздействии постоянного напряжения в планарном слое НЖК МББА возникают продольные домены, которые имеют флексоэлектрическую природу и связаны с формированием двойного электрического слоя.
Периодическое воздействие на осциллирующую доменную решетку с частотой равной удвоенной частоте доменных осцилляции ведет к подавлению фазовых волн и образованию кластеров с полной фазовой синхронизацией.
Рост пространственно-временных корреляций и полная фазовая синхронизация активных мод в электроконвективной структуре при увеличении постоянной составляющей комбинированного напряжения обусловлены действием флексоэлектрического механизма.
Апробация работы
Основные результаты, изложенные в диссертации, были представлены на: IV-й (Закопане, Польша; 1997 г.) и V-й (Херсониссос, Греция; 1999 г.) Европейских конференциях по жидким кристаллам, Конференции по нелинейной динамике и стохастическому поведению сложных системах PNS'97 (Будапешт, Венгрия; 1997 г.), XVII-й Международной конференции по жидким кристаллам (Страсбург, Франция; 1998 г.), Х-й, ХШ-й и XVII-й Всероссийской конференции "Структура и динамика молекулярных систем" (Яльчик; 2003, 2006 и 2010 г.г.), 16-ом семинаре по нелинейной динамике (Байройт, Германия; 2011 г.).
Публикации
Материалы диссертации опубликованы в 18 печатных работах, из них 6 статей в рецензируемых журналах [А1, А2, A3, А4, А5, А6], 3 статьи в сборниках трудов конференций [А7, А8, А9] и 9 тезисов докладов [А 10, All, А12, А13, А14, А15, А16, А17, А18].
Структура и объем диссертации
