Введение к работе
Актуальность темы. Композиционные магнитные материалы представляют исследовательский интерес благодаря наличию свойств, которыми не обладают их компоненты по отдельности. Более сложное и разнообразное поведение этих сред обусловлено появлением дополнительных степеней свободы и новых механизмов взаимодействия с внешними силовыми полями. Одним из таких материалов является ферронематик (ФИ) — низкоконцентрированная суспензия анизометричных магнитных частиц в нематическом жидком кристалле (НЖК).
Благодаря жидкокристаллической матрице ФИ обладает хорошей текучестью и анизотропией физических свойств, а внедренные в НЖК-матрицу феррочастицы обусловливают сильный магнитный отклик суспензии. Подобные композиционные материалы являются искусственными средами, поэтому в настоящее время в число актуальных задач входят синтез, экспериментальное и теоретическое исследование физических свойств и особенностей их поведения во внешних полях. Сильная магнитная восприимчивость ФИ позволяет управлять их ориентационной структурой с помощью более слабых магнитных полей по сравнению с полями, необходимыми для переориентации чистых НЖК. Дополнительный интерес к подобным дисперсным средам обусловлен еще и возможностью их использования в устройствах отображения информации.
Остается слабо изученным взаимодействие ориентационных и гидродинамических степеней свободы в магнитных суспензиях на основе жидких кристаллов. В частности, отсутствуют исследования ориентационных фаз ФИ при наличии сдвиговых напряжений, не выяснено влияние сегрегационных эффектов на характер индуцированных магнитным полем ориентационных переходов. Решению этих проблем и посвящена данная работа.
Исследования, представленные в диссертации, выполнялись при поддержке грантов Минобразования и науки РФ (2004-2010 гг.), РФФИ (07-02-96007, 10-02-96030) и CRDF (НОЦ РЕ-009).
Целью диссертационной работы является построение теории индуцированных магнитным полем и сдвиговым потоком ориентационных переходов в ферронематических жидких кристаллах.
Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается корректностью математической постановки задач; использованием проверенных аналитических и численных методов; хорошим согласием в предельных случаях с результатами других авторов.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые: теоретически изучен магнитный переход Фредерикса в нематике при наличии сдвигового течения с учетом анизотропии ориентационной упругости и
вращательной вязкости;
теоретически исследовано влияние сдвигового течения на индуцированные магнитным полем ориентационные переходы в неограниченном ФН и обнаружены пороговые эффекты, которые не обусловлены упругими свойствами НЖК-матрицы;
численно и аналитически определены границы существования ориентацион-ных фаз в неограниченном ФН при наличии сдвига;
обнаружено трикритическое поведение магнитного перехода Фредерикса в ферронематике и получено аналитическое выражение для трикритического значения сегрегационного параметра, при котором происходит смена характера ориентационного перехода;
построена теория магнитного перехода Фредерикса в слое ферронематика при наличии сдвигового течения.
Научное и практическое значение работы. Полученные результаты расширяют существующие представления о различных типах ориентационных переходов, индуцированных в ФН внешними полями и течениями. Аналитические формулы для пороговых полей переходов могут быть использованы для экспериментального определения материальных параметров ФН и энергии сцепления. Результаты работы могут быть применены при разработке устройств отображения информации на основе ФН.
Основные положения, выносимые на защиту:
результаты исследования магнитного перехода Фредерикса в нематике в сдвиговом потоке с учетом анизотропии констант упругости и вязкости;
вывод о том, что сдвиговое течение нематика приводит либо к размыванию перехода Фредерикса, либо, сохраняя пороговый характер перехода, изменяет симметрию решений;
существование не обусловленных упругими свойствами НЖК-матрицы пороговых эффектов в магнитном поле для случая сдвигового течения ФН;
аналитические и численные решения, определяющие границы ориентационных фаз, индуцированных магнитным полем в неограниченном ФН при наличии сдвига;
вывод о трикритическом поведении магнитного перехода Фредерикса в ФН;
аналитическое выражение для сегрегационного параметра, при котором происходит смена типа ориентационного перехода в ФН;
результаты исследования магнитного перехода Фредерикса в слое ФН при наличии сдвигового потока и эффектов сегрегации.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 научных работ, из них 5 статей в научных журналах из перечня ВАК [1-5].
Личный вклад автора. Постановка задач, обсуждение и интерпретация результатов проводилась совместно с научным руководителем. Результаты аналитических и численных расчетов, а также разработка численных алгоритмов принадлежат автору.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях: Отчетная научная конференция студентов и аспирантов Пермского государственного университета (Пермь, 2005); Конференция молодых ученых «Неравновесные процессы в сплошных средах» (Пермь, 2005, 2006, 2008); IX Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике (Нижний Новгород, 2006); 21st International Liquid Crystal Conference (Keystone, USA, 2006); 12-я Международная Плесская конференция по магнитным жидкостям (Плес, 2006); 11-th International Conference on Magnetic Fluids (Kosice, Slovakia, 2007); VII Международная научная конференция по лиотроп-ным жидким кристаллам и наноматериалам (Иваново, 2009); Всероссийская научная конференция «Физика в Башкортостане» (Уфа, 2009).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы из 144 наименований. Общий объем диссертации составляет 154 страницы, включая 44 рисунка.
