Введение к работе
Актуальность темы. Вещества, которые в жидкой фазе в определенном интервале температур обнаруживают анизотропию физических свойств: оптических, электрических, магнитных и т.д., - называют жидкими кристаллами (ЖК). Наиболее простую внутреннюю структуру имеют нематические жидкие кристаллы (НЖК, или нематики), состоящие из сгержнеподобных молекул, центры масс которых распределены в пространстве неупорядоченно, а длинные оси ориентированы преимущественно в одном направлении, характеризуемом единичным вектором п — директором. В случае идеального монодоменного слоя НЖК различают наклонную (п образует некоторый угол относительно поверхности Е, ограничивающей нематик), плапарную (п||) и гомео-тропную (n_L) ориентации нематического слоя.
Оптические, электрические, магнитные свойства нематика определяются пространственным распределением директора, которое весьма чувствительно к воздействию различных внешних полей. Эта уникальная особенность широко используется при конструировании разнообразных устройств на основе жидких кристаллов (дисплеев, модуляторов света, оптических преобразователей и т.д.). Важным фактором, определяющим ориентапионное поведение НЖК во внешних полях, является наличие Гранины раздела, которая не только задаст исходную ориентацию слоя НЖК в невозмущенном состоянии, но и существенно влияет на характеристики процессов переориентации. В связи с этим исследование ориентирующих свойств ограничивающих НЖК поверхностей является одним из актуальных направлений физики жидких кристаллов. Особое внимание привлекают анизотропные поверхности с микрорельефом, созданным методом вакуумного напыления пленок неорганических материалов. Это связано с хорошей ориентирующей способностью получающегося микрорельефа и простотой реализации данного метода.
Самостоятельный интерес представляет также изучение механизмов, ответственных за ориентацию молекул в системе НЖК - поверхность. Наиболее информативным средством анализа этих механизмов является исследование поверхностных ориенташюнных переходов, индуцированных внешними электрическими, магнитными или акустическими полями при изменении температуры (Т). Для теоретического описания поверхностных явлении в НЖК вводится понятие поверх-
ностной энергии (энергии сцепления) fs, которая является интегральной характеристикой сил, ответственных за ориентацию НЖК на границе. Знание зависимости энергии сцепления от ориентации директора и от температуры необходимо для корректного решения задачи о нахождении распределения директора в слое НЖК при наличии внешних воздействий. К сожалению, несмотря на существование целого ряда моделей, описывающих ориентацию НЖК на подложке, в настоящее время отсутствует устоявшийся вид потенциала поверхностной энергии.
Практически неизученным остается также вопрос о влиянии границы раздела на ориентациошюе поведение НЖК в гидродинамических потоках. Обычно при анализе динамических задач используется приближение жесткого сцепления, когда ориентация директора на границе полагается неизменной при любой сипе акустического возмущения, что математически соответствует бесконечной величине /s. Однако, при определенных экспериментальных условиях действующие на границе НЖК со стороны объема гидродинамические силы могут стать сравнимыми с поверхностными, в этом случае адекватная интерпретация экспериментальных результатов возможна только при учете конкретного вида поверхностной энергии. С другой стороны, исспедованпе влияния границы раздела НЖК - подложка на ориентационную динамику директора может дать информацию об ориентирующих свойствах самой поверхности. Так, известны экспериментальные ситуации, когда диссипационные механизмы на границе раздела играют существенную роль в процессах переориентации НЖК, однако имеющиеся в литературе данные весьма противоречивы, что требует проведения дальнейших исследований в этой области.
Целью диссертационной работы является экспериментальное и теоретическое исследование ориентациопных переходов в слое тематического жидкого кристалла, индуцированных границей раздела, при изменении температуры, под действием внешнего магнитного поля и в осциллирующем сдвиговом потоке.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
экспериментально обнаружен и исследован ориентанионный переход плакарпая ->наклоннаж —гомеотропная ориентация при изменении температуры в слое нематического жидкого кристалла 4-метоксибензилиден-4-п-бутилашілина (МББА) на подложках с напыленным споем окиси кремния (SiO);
предложена феноменологическая модель поверхностной энергии не-матлческого жидкого кристалла, ограниченного поверхностью с микрорельефом; проведен анализ возможных типов и сценариев ориентационных переходов;
экспериментально определены температурная и угловая зависимости поверхностной энергии НЖК МББА, ограниченного подложками с SiO-яапылешгсм; теоретические результаты, полученные в рамках предложенной модели, хорошо согласуются с экспериментальными данными по температурному поведению угла наклона директора на границе слоя НЖК в магнитном поле;
экспериментально обнаружен поверхностный ориентационный переход в слое НЖК под действием осциллирующего сдвигового потока; установлено существенное влияние диссипации энергии на границе раздела на динамику директора и полупена оценка величины поверхностной вязкости.
Научное її практическое значение работы
Экспериментально исследовано ориентационное поведение слоя НЖК МББА на подложках с напыленным под косым углом слоем окиси кремния при изменении температуры во внешнем магнитном поле. Для интерпретации полученных результатов предложена феноменологическая модель поверхностной энергии для системы НЖК - анизотропная поверхность с микрорельефом. Экспериментально определены значения параметров модели для системы МББА - подложка с SiO-яапылением, что позволило описать ряд эффектов, наблюдаемых в слое НЖК под действием акустических возмущений. Предложенное выражение для поверхностной энергии может быть использовано при решении задач физики жидких кристаллов в рамках континуальной теории с корректно поставленными граничными условиями, а также при построении микроскопических моделей взаимодействия НЖК с поверхностью. Методика исследования процессов переориентации НЖК в магнитном поле при изменении температуры может быть применена для детальпого анализа зависимости величины энергии сцепления от параметров ориентирующего покрытия подложек. В рамках предложенной модели поверхностной энергии найдены условия существования бистабильного состояния планерная f-> гомеотропная ориентация, что открывает новые возможности для конструирования различных электрооптических устройств на жидких кристаллах.
Исследования, представленные в диссертационной работе, выполня-
лись в соответствии с программой РАН «Нелинейные явления и механизмы образования надмолекулярного порядка в анизотропных средах» (N гос. регистрации 01.9.60 002031) и поддерживались грантами ИНТАС 96-498 «Pattern formation and transition to spatio-temporal disorder in liquid crystals» (1997-1999 гг.) и ФЦП Интеграция А0002 УНЦ «Математическое моделирование и физика нелинейных явлений в конденсированных средах» (1997-2000 гг.). Защищаемые положения:
-
В нематическом жидком кристалле МББА на подложке с микрорельефом, полученным косым напылением слоя окиси кремния, имеет место переход пленарная —> наклонная —> гомеотропная ориентация при увеличении температуры.
-
Предложенная модель поверхностной энергии НЖК адекватно описывает ориентационные переходы в МВБА, ограниченном подложками с микрорельефом, при изменении температуры и в магнитном ноле.
-
Осциллирующий сдвиговой поток индуцирует поверхностный ори-ентационный переход в МББА на подложке с микрорельефом при достижении амплитудой сдвига критического значения.
Публикации и апробация работы
По теме диссертации опубликовано 9 работ. Основные результаты исследований были представлены на 17-й Международной конференции по жидким кристаллам (Страсбург, Франция; 1998), 4-й (Закопане, Польша; 1997) и 5-й (Херсониссос, Греция; 1999) Европейских конференциях по жидким кристаллам, 11-й и 12-й Международных Зимних школах по механике сплошных сред (Пермь, Россия; 1997 и 1999).
Структура и объем работы