Введение к работе
Актуальность темы исследования. Экспериментальное исследование физических свойств неупорядоченных неорганических и органических дисперсных систем на основе жидких кристаллов (ЖК) представляет собой актуальную задачу физики конденсированного состояния. Эмульсии жидких кристаллов (ЭЖК) – это дисперсные системы, широко распространенные в живой природе и представляющие значительный интерес для технических приложений. Структура и свойства ЖК в дисперсных системах, в том числе в эмульсиях, зависят от параметров дисперсности и характера взаимодействия на границах раздела фаз. В составе микродисперсных систем ЖК проявляют высокую чувствительность к внешним воздействиям: температуры, магнитного и электрического полей, к влиянию примесей немезогенной природы. Их ориентационная структура и физические свойства могут претерпевать значительные изменения с ростом дисперсности эмульсии. В последние годы проявился значительный интерес к изучению структуры и физических свойств дисперсных ЖК систем, рассматриваемых как активные среды для дисплеев, биосенсоров, микролазеров, оптических окон с регулируемой прозрачностью и оптоволоконных устройств. К настоящему времени наиболее полно исследованы структура и свойства дисперсных систем: ЖК/полимеры (PDLC), ЖК/пористые стекла, ЖК/пористые полимерные пленки, твердые частицы /ЖК.
Степень разработанности темы исследования. К моменту начала наших работ значительно меньше были исследованы структура и свойства эмульсий, содержащих в качестве одной из фаз жидкий кристалл. Особенно это касается эмульсий микронной и субмикронной дисперсности, при фазовых переходах, при воздействии электрического поля. Взаимная растворимость компонентов ЭЖК также может приводить к изменениям свойств и структурных характеристик ЖК. При решении ряда теоретических и прикладных задач необходимо знание как динамических, так и равновесных свойств ЭЖК.
В экспериментальных исследованиях структуры, статических (равновесных) и
динамических (релаксационных) свойств жидких и жидкокристаллических
систем хорошо зарекомендовали себя методы акустической спектроскопии
(молекулярной акустики), фотонной корреляционной спектроскопии
(динамического рассеяния света) и поляризационной микроскопии, выбранные нами в качестве основных методов исследования. Однако вопрос применимости этих методов к изучению ЭЖК различной дисперсности остается слабо разработанным. Особенно это касается возможности изучения структуры и свойств ЭЖК предельно высокой, субмикронной, дисперсности методами акустической спектроскопии и фотонной корреляционной спектроскопии, исследования термооптических и электрооптических характеристик ЭЖК с каплями ЖК субмикронных размеров.
Важным частным случаем эмульсий ЖК является дисперсная система, образованная сосуществующими изотропной и нематической фазами ЖК при фазовом переходе нематик – изотропная жидкость (N-I). Физические свойства таких систем также недостаточно изучены.
В теоретическом плане структура и свойства ЖК систем субмикронной дисперсности описываются, в основном, на феноменологическом уровне и на основе модельных представлений, развитых в работах Ландау, де Жена, Ми, Крауфорда, С. Зумера, С. Краль и др., допускающих, однако, численные оценки в некоторых частных случаях. Например, при выполнении низкочастотного предела для акустических параметров ЖК систем, при исследованиях фазовых переходов; при использовании усредненного значения показателя преломления в каплях ЖК, при расчетах оптического рассеяния и т.п.
В плане экспериментальных исследований - являются наименее изученными акустические, термооптические и электрооптические свойства ЭЖК различного состава, включая их статические и динамические характеристики. Не выяснена применимость известных модельных и феноменологических теорий для описания структуры и свойств ЭЖК микронной и субмикронной дисперсности с учетом взаимной растворимости компонентов.
Цель диссертационной работы - выяснение закономерностей фазовых
переходов и структурных превращений в пространственно ограниченных каплях
ЖК, в эмульсиях различного состава и дисперсности, на основе
экспериментального изучения акустических, термооптических и
электрооптических явлений в ЭЖК.
Задачи:
-
Развитие методических основ акустических, термооптических и электрооптических исследований структуры и свойств ЭЖК.
-
Изучение акустических явлений в ЭЖК и в слоях ЖК с ориентационными неоднородностями структуры при фазовом N-I переходе.
-
Изучение термооптических явлений в ЭЖК при фазовых переходах в каплях ЖК.
-
Изучение электрооптических явлений в ЖК системах с ориентационными неоднородностями структуры.
-
Выяснение характера влияния примесей немезогенных соединений в каплях ЖК на свойства эмульсий.
-
Разработка физических концепций создания новых устройств на основе ЭЖК.
Методы исследования: методы молекулярной акустики, фотонной
корреляционной спектроскопии (динамического рассеяния света),
поляризационной микроскопии, методы численных расчетов.
Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые
экспериментально установлены закономерности фазовых переходов и
структурных превращений в пространственно ограниченных каплях ЖК, в
эмульсиях различного состава и дисперсности, проявляющиеся в акустических, термооптических и электрооптических свойствах ЭЖК.
-
Впервые экспериментально установлено критическое поведение акустических параметров ЭЖК при фазовом N-I переходе в каплях ЖК микронных и субмикронных размеров.
-
Установлено замедление релаксационных процессов в микрокаплях ЖК при температурах в окрестности фазового N-I перехода.
-
Установлено уменьшение глубины экстремумов в температурных зависимостях модуля упругости и эффективной динамической вязкости, в ряде мезогенных соединений – гомологов (VII-IX), при фазовом N-I переходе, как с ростом частоты ультразвука, так и с ростом номера гомолога.
-
Установлено уменьшение температуры фазового N-I перехода в каплях ЖК, погруженных в изотропную жидкость, при уменьшении их размера и увеличении концентрации примесей немезогенной природы.
-
Найдены простые степенные зависимости коэффициента поглощения ультразвука в ЭЖК микронной дисперсности от температуры, для нематического и изотропного состояний капель ЖК, с критическими индексами, равными единице, наблюдающиеся при температурах, удаленных дальше, чем на ~1 K, от точки фазового N-I перехода, что согласуется с выводами теории динамического скейлинга в низкочастотном пределе.
-
Показано, что силы ориентационного сцепления на поверхности капель ЖК субмикронных размеров в ЭЖК соответствуют промежуточному значению, между «сильным» типом и «слабым» типом ориентационного сцепления.
-
Найдены аномалии в температурной зависимости интенсивности однократно рассеянных фотонов света в ЭЖК при фазовых N-I и смектик – нематик (Sm-N) переходах в каплях ЖК субмикронных размеров.
-
Установлено увеличение температуры N-I перехода в эмульсии, образованной сосуществующими нематической и изотропной фазами ЖК, вызванное влиянием электрического поля, качественно согласующееся с известными феноменологическими представлениями.
-
Установлен эффект распространения света в микронеоднородном слое ЖК, в формируемых электрическим полем волноводах, представляющих собой области с гометропной ориентацией директора, окруженные участками с планарной ориентацией директора, перспективный для использования в оптоволоконных и дисплейных устройствах, в том числе, выполненных на основе ЭЖК.
10. Показано значительное уменьшение температуры фазового N-I перехода в
ЭЖК на основе водных растворов углеводов (глюкозы и крахмала).
На защиту выносятся следующие положения.
1. Результаты экспериментальных исследований акустических,
термооптических и электрооптических явлений в ЭЖК при фазовом N-I переходе в микрокаплях ЖК.
-
Установленные эффекты влияния поверхностных взаимодействий, электрического поля и примесей немезогенной природы на фазовые переходы в каплях ЖК в эмульсиях микронной и субмикронной дисперсности.
-
Результаты анализа структурных, акустических, термооптических и электрооптических характеристик ЭЖК, на основе феноменологических и модельных представлений.
Практическая значимость. Полученные в диссертации научные результаты имеют следующее практическое значение:
-
Развиты методические основы акустических, термооптических и электрооптических исследований структуры и свойств ЭЖК в образцах объемом от 0,1 до 70 см3 с каплями ЖК субмикронных размеров; образцов ЖК малого объема порядка 0,06-0,15 см3; Разработана методика приготовления образцов ЖК с ориентационными неоднородностями заданной формы и размеров; образцов эмульсий ЖК с заданными параметрами дисперсности. Развит акустический метод контроля содержания и удаления примеси микродисперсной газовой фазы в образцах ЭЖК.
-
Установлена возможность изменения в эмульсиях структуры и размеров капель ЖК микронных и субмикронных размеров путем изменения температуры и электрического поля, что представляется полезным для дисплейных приложений (контроль цвета) и оптоволоконных технологий (термически контролируемые фильтры). Предложена физическая концепция построения объемного дисплея на ЭЖК.
-
Экспериментально исследованы различные состояния ЭЖК: а) оптически однородное состояние - бинарный раствор мезогенов в изотропной жидкости; б) состояние «микроэмульсии» – дисперсии нематических капель в изотропной жидкости, характеризующейся сильным электрически контролируемым рассеянием света и в) состояние «микроэмульсии» - с каплями изотропной фазы ЖК в изотропной жидкости, характеризующейся слабым изотропным рассеянием света. Эти свойства ЖК эмульсий могут оказаться полезными при создании на их основе дисплеев объемного изображения. Состояние в) соответствует высоко прозрачной среде, что может представлять ценность для оптоволоконных применений (низкие потери).
-
Установлены электрооптические характеристики микронеоднородных ЖК систем с электрически индуцируемыми фазовыми и ориентационными неоднородностями структуры заданных параметров, на основе которых предложена физическая концепция создания переключателя для оптоволоконных линий, продемонстрированная на экспериментальной модели.
-
Установлена возможность изменения интегральных термооптических и электрооптических характеристик ЭЖК путем вариаций концентрации, температуры и напряженности электрического поля, введения в состав ЭЖК примесей немезогенной природы, изменения дисперсного состава ЭЖК, что представляется ценным для практических приложений.
6) Показана возможность практического использования полученных
результатов исследований структурных, акустических, термооптических и электрооптических свойств ЭЖК и микронеоднородных слоев ЖК в следующих разработках: устройство для измерения скорости и поглощения ультразвука (патент 2279068 РФ), устройство для контроля многослойных систем (патент 2276783 РФ), объемный дисплей (патент 2324962 РФ) и коммутатор световых потоков (разработан действующий макет); способ и устройство для определения содержания воды в эмульсиях различного состава (патент РФ 2002256, патент РФ по заявке № 5031523/28).
Результат диссертационной работы представляет собой решение актуальной научной проблемы в физике конденсированного состояния: экспериментального исследования физических свойств неупорядоченных неорганических и органических дисперсных систем, фазовых переходов в них, в условиях пространственных ограничений, реализуемых в эмульсиях жидких кристаллов микронной и субмикронной дисперсности.
Достоверность результатов подтверждается:
результатами измерений структурных и физических характеристик ЭЖК, выполненных автором независимыми акустическим и оптическим методами;
качественным согласием полученных экспериментальных данных с предсказаниями существующих феноменологических теорий и с литературными экспериментальными данными для ранее исследованных дисперсных жидкокристаллических систем других типов.
Личный вклад автора состоит в постановке цели и задач исследования, в разработке нестандартных узлов и элементов экспериментальных установок, постановке и проведении экспериментальных акустических исследований; постановке, координации и проведении экспериментальных исследований; анализе и обобщении экспериментальных результатов. Все основные результаты получены автором лично или при непосредственном участии.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались: 7-th European Conference on Liquid Crystals, Jaca, Spain, 2003; 5-й Международной конференции по лиотропным жидким кристаллам, Иваново, 2003; Международной школе молодых ученых “4-е Чистяковские чтения”, Иваново, 2004; 11-й, 13-й, 15-й и 16-й сессиях Российского Акустического Общества, Москва, 2001-2005; 9-th Asian Symposium on Information Display, New Delhi, India, 2006; 8-th International Conference on Laser and Fiber-Optical Networks Modeling, Kharkov, Ukraine, 2006; 13-th International Display Workshops, Otsu, Japan, 2006; 6-й Международной конференции по лиотропным жидким кристаллам, Иваново, Россия, 2006; 20-th and 21-th International Liquid Crystal Conferences: 20-th, Lubljana, Slovenia, 2004; 21-th, Colorado, USA, 2006; 18th European Conference on Thermophysical Properties, Pau, France, 2008; 2-nd International Workshop on Liquid Crystals for Photonics, Cambridge, UK, 2008; 1-й Всероссийской конференции "Проблемы механики и акустики сред с микро - и
наноструктурой", Нижний Новгород, 2009; 7-й Международной конференции по
лиотропным жидким кристаллам и наноматериалам, Иванова, 2009; 1-й
Всероссийской конференции по жидким кристаллам, Иваново, 2012. Отдельные
результаты апробированы при выполнении исследовательских проектов по
грантам: РФФИ № 05-01-08085-ОФИа, № 07-01-13523; Министерства
образования и науки РФ, РПН.2.2.1.1.7280; АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы» 2.1.1/5873; ФЦП «научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг.». 16.740.11.0324; 14.740.11.0900; 14.740.11.1238.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 54 работы, из них 27 статей в отечественный и зарубежных журналах и сборниках, в том числе 13 – статей опубликовано в 8 различных изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов научных работ соискателей ученой степени кандидата и доктора наук; 22 тезиса докладов, 5 патентов на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 202 страницах и состоит из введения, 6 глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений и списка цитируемой литературы из 191 наименований, содержит 79 рисунков и 4 таблицы.
