Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Акустооптические эффекты в жидких кристаллах 17
1.1 Поведение нематических жидких кристаллов при периодической деформации 17
1.2 Однородное искажение ориентации нематических жидких кристаллов 22
1.3 Колебательное движение в вязкой жидкости 38
1.4 Пространственно-модулированные структуры и волны 42
1.5 Конвекция в жидких кристаллах 46
1.6 Топологические дефекты и солитоны в жидких кристаллах 53
1.7 Жидкие кристаллы как наноматериалы 58
1.8 Релаксация в поле сдвиговых волн 61
1.9 Турбулизация в изотропных жидкостях и жидких кристаллах 64
1.10 Электрооптические эффекты в жидких кристаллах 68
Выводы по главе 1 76
Глава 2 Объекты и методы экспериментальных исследований 78
2.1 Выбор объектов исследования и методы приготовления образцов 79
2.2 Методы исследования электрооптических и оптических свойств жидких кристаллов 89
2.3 Методика обработки и анализа экспериментальных данных 96
2.4 Методы поляризационно-оптического анализа слоя нематического жидкого кристалла при периодическом сдвиге 102
Выводы по главе 2 106
Глава 3 Ориентационная неустойчивость директора под действием сдвига 108
3.1 Расчет распределения поля директора в ячейке с жидким кристаллом, индуцируемого сдвиговыми колебаниями 108
3.2 Экспериментальная методика регистрации и первичной обработки оптических сигналов 110
3.3 Гармонический анализ оптического сигнала 117
3.4 Экспериментальные результаты изучения акустооптического эффекта методом двойного лучепреломления в тонких гомеотропных слоях жидких кристаллов 121
3.5 Релаксационные процессы реориентации директора при периодическом сдвиге 132
3.6 Турбулизация в тонких слоях нематических жидких кристаллов под действием низкочастотного периодического сдвига 138
3.7 Генерация ориентационных волн в нематических жидких кристаллах под действием сдвигового импульса 143
3.8 Механизм акустического «перехода Фредерикса» под действием сдвига 152
Выводы по главе 3 165
Глава 4 Азимутальная неустойчивость директора в поле сдвиговой волны 167
4.1 Два предельных случая возможного движения директора при выходе из плоскости сдвига 167
4.2 Экспериментальные результаты исследования азимутальной неустойчивости директора в поле сдвиговой волны 172
4.3 Релаксационные процессы реориентации директора при эффекте выхода директора из плоскости сдвига 181 Выводы по главе 4 190
Глава 5 Молекулярно-ориентационная поляризация в жидких кристаллах 191
5.1 Линейный электрооптический эффект в нематических жидких кристаллах
5.2 Структурный фазовый переход образования киральных фаз в планарно ориентированных нематических жидких кристаллах 197
5.3 Два частных случая распространения ультразвуковых колебаний в холестерических жидких кристаллах (приближение длинных волн) 205
5.4 Резонансное изменение скорости ориентационных волн в твист–структурах жидких кристаллов 212
5.5 Поляризация, индуцированная сдвиговыми течениями, вблизи фазового перехода нематический жидкий кристалл – изотропная жидкость 230
5.6 Распространение ультразвуковых волн в холестерических жидких кристаллах 235
5.7 Волнообразная неустойчивость смектических жидких кристаллов типа «С» в электрических полях 239
5.8 Эффект памяти в нематических жидких кристаллах 245
5.9 Электроконвекция в смектических жидких кристаллов типа «С» 249
Выводы по главе 5 258
Основные результаты и выводы 260
Список литературы
- Пространственно-модулированные структуры и волны
- Методы поляризационно-оптического анализа слоя нематического жидкого кристалла при периодическом сдвиге
- Экспериментальные результаты изучения акустооптического эффекта методом двойного лучепреломления в тонких гомеотропных слоях жидких кристаллов
- Экспериментальные результаты исследования азимутальной неустойчивости директора в поле сдвиговой волны
Введение к работе
Актуальность темы исследования.
Жидкие кристаллы (ЖК) - это органические вещества, способные находиться в термодинамически метастабилыюм состоянии между изотропной жидкостью и анизотропной упорядоченной фазами. Объектами исследований в представляемой работе являются термотропные жидкие кристаллы, различные переходы в которых обусловлены нагревом. Главным свойством жидкого кристалла, которое отличает его от изотропного вещества и дает ему сходство с твердым телом, является наличие дальнего пространственного и ориентационного порядка. Эта степень свободы дополняет ЖК уникальными свойствами. Он более чувствителен к внешнему воздействию (термических, акустических, электрических и магнитных полей). Тонкие плешей жидких кристаллов показывают достаточно специфические физические свойства. К таким свойствам можно отнести изменение ориентации молекул при действии магнитных или электрических полей (переходы Фредерикса). Жидкие кристаллы чувствительны даже к незначительным изменениям граничных условий. Они демонстрируют эффекты памяти, благодаря которым их используют в системах отображения информации (табло, таблицы, транспаранты), в медицине, в методах неразрушающего контроля.
В настоящее время достаточно большое разнообразие уже открытых модулированных структур, ориентационных и азимутальных эффектов в жидких кристаллах. Несмотря на ігх широкое практическое использование, как с теоретической, так и практической точек зрения, актуально исследовать влияния внешнего воздействия на поведение молекулярного ансамбля жидких кристаллов. Так же развитие исследований в области химии жидких кристаллов позволило получить материалы, имеющие жидкокристаллическую структуру при комнатной температуре, а потому удобные в практическом отношении, все больше возрастает иіггерес к проблеме отображения информации.
Степень разработан пости темы исследования.
Наиболее хорошо изученными являются переходы в электрическом или магнитном полях в связи с использованием этих эффектов в современных дисплеях. Они были открыты Фредериксом и его сотрудниками в 30-е годы. Ими же была проведена серия экспериментов по поиску подобного фазового перехода в быстро осциллирующих полях в нематических жидких кристаллах, но результаты оказались отрицательными. Беловой, Ремизовой [1] экспериментально изучалось акустооптическое воздействие на гомеотропно
ориентированный НЖК периодической деформации. Они наблюдали, что оптическое излучение содержит как постоянную, так и переменную составляющие. Процесс изменения оптической прозрачности слоя проходит три стадии, каждая из которых развивается в определенной области амплитуд воздействия, и имеет пороговый характер. Первая стадия переориеіггации слоя связана с чувствительностью метода. Далее при пороговой амплитуде сдвига 0,8 мкм (толщина слоя 20 мкм) происходит резкое увеличешіе постоянной и переменной составляющих оптической прозрачности. Порог зависит от толщины слоя и частоты колебания. При амплитуде смещения 8 мкм (толщина слоя 20 мкм) наблюдается полосатая доменная структура. Пороговое значение амплитуды воздействия, определенное в данной диссертации, равно 0,8 мкм, но оно не зависит от толщины образца и частоты воздействия. Поэтому эффект, обнаруженный в работе [1], не может быть интерпретирован как акустический «переход Фредерикса».
Вновь целенаправленно поиск структурного перехода при осциллирующем воздействии проведен в работах Крамера, Буки, Чувырова, Крехова [2, 3]. Но экспериментального подтверждения акустического аналога «перехода Фредерикса» получено не было. Видимо, дело было в конструкции используемой ими ячейки, которая представляла сборку из двух пластин, разделенных полимерными шариками, и способе возбуждения сдвиговых колебаний. Поэтому этот вопрос на сегодняшний день является открытым, и совершенно не ясно, как он может быть решен в рамках теории вязкоупругого течения нематических жидких кристаллов. Необходимо отметить, в существующей научной литературе в основном представлена информация по сдвиговому возмущению в мегагерцовом диапазоне. Низкочастотная область воздействия на тонкие ЖК-слои представлена очень скудно.
Таким образом, представленной диссертационной работе, была произведена попытка экспериментально обнаружить и исследовать акустический аналог «перехода Фредерикса». В результате сдвигового воздействия частотой =100 Гц на НЖК-слой обнаружено искажение ориентации поля директора в виде образования стационарного угла наклона молекул ЖК относительно нормали к ячейке. Необычность этого явления состоит в том, что в результате данного перехода происходит нарушение симметрии в системе. Сначала под действием сдвига отклонение директора от первоначальной ориентации симметричное. Но при достижении критической амплитуды воздействия а„і ~ 0,8 мкм появляется стационарный угол наклона директора.
При дальнейшем увеличении амплитуды сдвига до достижения порога а„2 ~ 1,4 мкм наблюдается азимутальная неустойчивость директора, предсказанная в работе [3], которая
была обнаружена впервые. Этот эффект проявляется в том, что директор «выходит» из первоначальной плоскости колебания, конец директора при этом двигается по эллиптической траектории.
В целом вопрос можно ставить шире, как изучение ориентационных неустойчивостей сложных упорядоченных молекулярных систем под действием низкочастотного периодического сдвига, вплоть до образования макроскопических турбулентных течений, которые сопровождаются появлением надмолекулярного порядка, его разрушением, релаксационных процессов реориентацпи возмущения поля директора и перехода к турбулизации. В настоящее время не существует достоверной теории перехода к турбулентности для изотропной жидкости. А жидкий кристалл - среда анизотропная, поэтому задача описания турбулентного состояния жидкого кристалла представляется достаточно сложной. Но, тем не менее, в данной диссертации представлены некоторые результаты исследования этого вопроса.
Экспериментальное изучение релаксационных процессов ЖК-систем после отключения внешнего воздействия (электрическое, магнитное, акустическое поля) актуально для технологии ЖК-дисплеев. Эта информация, к сожалению, слабо представлена в современной научной литературе и датируется 80-ми - 90-ми годами прошлого века, и носит в основном теоретический характер.
Нас так же интересовали эффекты, имеющие место при переключении дисплеев, маскируемые эффектом Фредерикса, информация о которых практически не отражена в научной литературе. Современные дисплеи работают на квадратичном электрооптическом эффекте. В работе [4] исследовано электрическое двойное лучепреломление (эффект Керра) в расплаве гребнеобразного полимера с акриловой основной цепью и мезогенными цианобифенильными боковыми группами выше температуры фазового перехода смектик -изотропная фаза. Обнаружено скачкообразное изменение температурной зависимости постоянной Керра, обусловленное изменением ближнего ориентационного порядка при переходе изотропная фаза - изотропная фаза. Нами были впервые экспериментально обнаружены и исследованы линейные элсктрооптнческне эффекты в жидких кристаллах, которые ранее изучались Влохом и Желудевым в твердых телах (например, в кварце). Для этого создавались специальные условия, т.е. электрическое поле делалось большим, а анизотропия диэлектрической проницаемости малой є^О. В результате наблюдалась гиротропия - влияние электропроводности на поведение СЖК типа «С». Впервые экспериментально получены линейные зависимости изменения двулучепреломления от напряжения и волнового вектора от напряженности электрического поля.
Актуально исследование акустооптических явлений в твист-ячейках, так как они применяются в современных дисплеях. Впервые было обнаружено, что при распространении вязких волн в твист-ячейках наблюдается резонансное поведение скорости эти волн, если изменять частоту их генерации.
Вопрос о возможности наблюдения волновой неустойчивости в смектиках типа «А» впервые был рассмотрен теоретически еще в работах [5, 6]. В более поздней работе [7] исследовалась волнообразная неустойчивость смектика С* под действием растяжения. В связи с тем, что порог этой неустойчивости высок, ее достаточно трудно наблюдать даже в толстых образцах (А = 10"2 м). Именно по этой причине до настоящего времени не удалось экспериментально обнаружить волнообразную неустойчивость под внешним воздействием. Пороговое значение для магнитного поля, которое определяется как Н\ =2лЛ", I %„Xh,
зависит от анизотропии магнитной проницаемости х» и параметра Я = (А", /С,,)-'2. Параметр X в смектиках типа «А» соизмерим с толщиной ЖК-слоя, а Сзз, Ki - модули упругости, которые имеют величину Ki = 10"6 эргем"1, Сзз " Ю4 эргем"3. Чтобы снизить порог волнообразной неустойчивости необходимо увеличить толщину слоя А, X или %„, что в реальных экспериментах осуществить затруднительно. Обычно при воздействии внешнего поля на смектик «А» наблюдается переход Пароди, который связан с образованием дислокационной структуры, возникающей при реориентации молекул [6]. Видимо, авторы работы [8] наблюдали электрический аналог этого эффекта. Пикиным отмечалось, что аналогичные неустойчивости во внешних полях возможны и в смектиках «С», но достоверных экспериментальных результатов нет. Позднее в работе [9] им же теоретически показано, что необходимыми условиями существования и наблюдения, периодических флексоэлектрических модуляций в смектиках «С» (волнообразной неустойчивости) является достаточно малая диэлектрическая анизотропия, достаточно большой наклон молекул, планарная исходная ориентация смектического слоя, относительно невысокий порог по электрическому полю.
Видимо, возможность наблюдения этого перехода в СЖК типа «С» (ГОФЭДОБК) связана с уменьшением модуля упругости Сзз в окрестности фазового перехода второго рода СЖК «С» —> СЖК «А», а это приводит к снижению пороговых значений напряжений. Следует упомянуть, что волнообразная неустойчивость в смектиках «С» отличается от неустойчивости, предсказанной для смектика «А»: в смектиках «С» однородное состояние реализуется при больших деформациях [6], а в смектиках «А» формируется дефектная структура.
Целью диссертационной работы является экспериментальное исследование структурных превращений в жидких кристаллах под действием акустических и электрических полей, их динамики и механизмов.
Для достижения поставленной цели были решены задачи:
-
Обнаружение и экспериментальное изучение ориентациошюй и азимутальной неустойчивостей гомеотропно ориентированного нематического жидкого кристалла при воздействии низкочастотного гармонического сдвига.
-
Изучение процессов релаксации и переходов к турбулентному состоянию тонких слоев нематиков под действием периодического сдвига низкой частоты.
-
Исследование влияния низкочастотного импульсного сдвига на гомеотропно ориентированный тонкий слой ЖК и определение механизмов релаксации.
-
Обнаружение и экспериментальное исследование линейных электрооптических эффектов в НЖК и их механизмов.
-
Исследование и выявление механизмов распространения вязких волн в твист-структурах НЖК.
-
Исследование запоминающих свойств ІІЖК.
-
Изучение волнообразной неустойчивости и электроконвекции в смектических жидких кристаллах типа «С» в электрических полях.
Научная новизна полученных результатов.
-
Впервые обнаружены и экспериментально исследованы ориентационные фазовые переходы - эффект образования стационарного угла наклона директора и эффект азимутальной неустойчивости директора в гомеотропно ориентированных слоях нематических ЖК под действием низкочастотного периодического сдвига, которые имеют пороговый характер возникновения.
-
Впервые обнаружено, что при импульсном сдвиговом движении в диапазоне амплитуд от 200 до 350 мкм происходит образование нестационарных периодических доменных структур, релаксация которых идет через образование одиночных ориептационных волн вдоль слоя ЖК.
-
При действии сдвигового акустического поля исследован переход к турбулентному состояпшо НЖК. Впервые показано, что в этом случае возникают низкочастотные флуктуационные моды, ответственные за образование конвективных течений - системы роллов, а процесс перехода к турбулизации сопровождается непрерывным уширением спектра низкочастотных флуктуации &к25 Гц (частота воздействия 200 Гц).
-
Впервые экспериментально обнаружены и исследованы продольный электрооптический эффект и фазовый переход НЖК - ХЖК в электрическом поле, не подавляемые эффектом Фредерикса. Экспериментально определено, что изменение двулучепреломления от напряжения и волнового вектора от напряженности электрического поля носят линейный характер. Природа его, как следует из экспериментов, связана с существованием поверхностной поляризации.
-
Впервые изучены молекулярно-ориентационные механизмы поляризации в холестериках и твист-структурах пематиков. При распространении вязкой волны в холестсрическом жидком кристалле с большим шагом спирали и в твист-структурах НЖК возникает волна, изменение скорости которой имеет резонансный характер, при изменении частоты ее генерации.
-
Изучена природа образования поверхностной поляризации и ее характеристики, а также эффекты, вызванные возмущением акустическими полями молекулярной упорядоченности на границе раздела ЖК - твердая подложка. Исследовано влияние электрических полей на ориентационную поляризацию ЖК-систем.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Результаты представляемых исследований могут быть полезны при разработке акустических модуляторов и дефлекторов света с большими глубиной модуляции и углом дефлекции, кислородных датчиков (лямбда-зондов) для автомобильной промышленности, а так же для пьезозлементов. На основе полученных исследований возможно создание сейсмодатчиков, а так же оптических датчиков вибрации, например, для нефтегазовой отрасли, разного рода датчиков акустических колебаний.
Из результатов экспериментального исследования линейного электрооптического эффекта вытекает новое самостоятельное направление дефектоскопии поверхности (контроль качества сварных швов), а также дефектов на полупроводниковых поверхностях (микросхемах).
Эффект образования киральных фаз может быть использован для создания нового поколения электрооптических ячеек для дисплеев.
Запоминающие свойства ЖК, исследованные в работе, проявляющиеся в виде образования доменной структуры, которая существует длительное время после отключения электрического поля, могут быть использованы для создания табло или таблиц для длительного отображения информации.
Результаты представленных экспериментальных исследований различных ориентационных переходов будут полезны для дальнейшей разработки теории нелинейных явлений анизотропных веществ.
Методология и методы исследования. Наиболее эффективными при выполнении работы были следующие методы: оптическая и емкостная модуляционная спектроскопия, эллипсометрия, метод коноскопии на отражение, методы и принципы электрооптики, метод интерферометрии двулучепреломлеїшя на базе поляризационного микроскопа.
Положения, выносимые па защиту:
-
Ориентационная неустойчивость гомеотропных слоев тематических жидких кристаллов при действии низкочастотного периодического сдвига, которая проявляется в пороговом характере образования стационарного угла наклона молекул жидкого кристалла относительно нормали к ячейке, и является акустическим аналогом «перехода Фредерикса».
-
Азимутальная неустойчивость молекул нематического жидкого кристалла под воздействием низкочастотных сдвиговых осцилляции, заключающаяся в «выходе» директора из первоначальной плоскости колебания, которая является результатом взаимодействия вязкой и ориентационной мод.
-
Линейный электрооптический эффект в ячейках типа «сэндвич» (токопроводящее стекло - гомеотропно ориентированный нематнческий жидкий кристалл - фотопроводник CdS), как результат влияния фотовозбуждепия поверхности фотопроводника и образовавшейся поверхностной поляризации на ориентацию молекул жидкого кристалла.
-
Структурный фазовый переход в виде образования киральных фаз в планарно ориентированных нематичсскнх жидких кристаллах класса двухкольчатых эфиров, как следствие воздействия электрического поля.
-
Резонансное изменение скорости вязких волн в твист-структурах нематических жидких кристаллах и холестерических жидких кристаллах с большим шагом спирали, как следствие взаимодействия вязкоупругой моды с пространственной twist-модой закрученного нематика.
-
Волнообразная неустойчивость в смектических жидких кристаллах типа «С» в электрическом поле, приложенном нормально к слою жидкого кристалла, которая обусловлена сминанием смектических слоев.
Степень достоверности результатов проведенных исследований: исходные предпосылки диссертационной работы Денисовой О.А. основываются на известных теоретических положениях теории упругости, механики, гидродинамики жидкостей и жидких кристаллов.
Теоретические оценки, приведенные в работе, апробированы сравнением с экспериментальными результатами.
Полученные результаты имеют научную ценность и достоверность, так как правильно отражают физическую картину и возможность образования самоорганизующихся систем в неживой среде.
Апробация работы: Основные результаты работы были представлены на 15 Международной конференции по жидким кристаллам (Венгрия, Будапешт - 1994), Европейской конференции по жидким кристаллам (Словения, Бовек - 1995), 16 Международной конференции по жидким кристаллам (США, Кент - 1996), 17 Международной конференции по жидким кристаллам (Франция - 1997), 8 Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Пермь - 2001), 19 Международной конференции по жидким кристаллам (Единбург - 2002), 13 зимней школе по механике сплошных сред (Пермь - 2003), Всероссийских конференциях «Структура и динамика молекулярных систем» (Яльчик - 2002, 2003, 2004, 2007), 20 Международной конференции по жидким кристаллам (Словения - 2004), 30 Международной зимней школе физиков-теоретиков (Коуровка - 2004), Российской конференции «Механика и химическая физика сплошных сред» (Бирск - 2007), 22 Международной конференции по жидким кристаллам (Корея - 2008), VII Международной научной конференции по лиотропным жидким кристаллам и наноматериалам (Иваново - 2009), 9 Международной научно-технической конференции «Инновации и перспективы сервиса» (Уфа - 2012), VII Международной научной конференции Кинетика и механизм кристаллизации. Кристаллизация и материалы нового поколения (Иваново - 2012).
Публикации. По теме диссертации опубликовано более 70 научных работ: 2 монографии, 38 статей в отечественных и международных журналах и сборниках (в том числе 20 статей в журналах, рекомендованных ВАК для публикации результатов на соискание степени доктора наук) и 23 тезиса докладов.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 294 страницах и состоит из введения, пяти глав, заключения и списка используемой литературы из 372 наименований, содержит 174 рисунка и 4 таблицы.
Пространственно-модулированные структуры и волны
Впервые такой тип искажения НЖК при механической деформации сжатия, создаваемой звуковыми волнами, наблюдал Капустин [100, 101] в неориентированном образце n–азоксифенитола (ПАП) на частотах 720 кГц и 1,8 МГц. При определенной силе звука в слое возникала ячеистая структура, и слой как бы делился на неподвижные зоны, обтекаемые потоками. Движение в них совершалось как по часовой стрелке, так и против. Уже эти качественные наблюдения обнаружили связь макроскопических течений с нарушением упорядочения структуры.
Как известно, режимы течения НЖК более сложные, чем у обычной изотропной жидкости, поскольку у них поступательное движение связано с внутренним ориентационным движением молекул. Как правило, течение искажает упорядочение, и наоборот, изменение ориентации, например, при наложении внешнего поля, во многих случаях вызывает течение НЖК. Эта взаимосвязь между директором и скоростью течения является тем основным фактором, который определяет особые гидродинамические свойства НЖК и приводит к образованию различных пространственномодулированных структур [102 - 110, 170 - 174].
Отчетливее всего качественные особенности возмущения упорядочения и образования пространственномодулированных структур в ЖК в осциллирующих потоках проявляются на примере деформации сдвига. В этой ситуации в гомеотропных образцах директор параллелен направлению градиента скорости, а изменение частоты осцилляций приводит к изменению профиля скорости. На частотах звукового диапазона профиль скорости – линейная функция координаты z. Кларк [111, 112] исследовал и интерпретировал поведение тонких образцов НЖК (h = 10 мкм) на частотах 20 – 100 Гц. Оказалось, что при амплитудах смещения, превышающих пороговое значение, возникает новый вид неустойчивости. Визуально наблюдаемая картина – полосы шириной W, у которых отношение W/h 103. Они составляют угол 35 – 40о с направлением колебаний опорной пластины, что может быть связано с наличием незначительной вертикальной компоненты у этой пластины, а на некоторых участках располагаются и в направлении этих колебаний.
Особенности пороговых характеристик неустойчивости, обнаруженной Кларком [111], показывают, что она не идентична неустойчивости, наблюдавшейся в опытах Скудиери на частотах порядка единиц килогерц с образцом МББА толщиной 200 мкм [113, 114]. В этом случае пространственномодулированные структуры располагаются под углом 90о к направлению колебаний, а их период имеет порядок толщины слоя [115]. На частоте 7,46 кГц пороговое смещение, соответствующее существованию устойчивой картины роллов, составляет 0,057 мкм, а искажение регулярной картины полос имеет место при 0,3 мкм [113]. По наблюдениям Скудиери, причиной появления полос, является периодическое распределение директора в плоскости слоя, обусловленное упорядоченным вихревым движением. Оно приводит к периодическому изменению показателя преломления для необыкновенного луча, т.к. в центре вихрей ориентирующее действие такого движения особенно значительно. Эти цилиндрические вихри (роллы) выполняют роль линз, фокусируя свет в светлые линии – домены. В соседних вихрях движение вещества происходит в противоположных направлениях. В пределах каждого из них оно совершается в вертикальной плоскости, параллельной направлению периодичности.
В работах [22, 23] изучалось влияние механического импульса и температуры на фотоупругий эффект. Было обнаружено, что он связан с микроструктурой мезофазы, степенью ее упорядоченности, зависит от температуры, величины и характера механического воздействия. Позднее обсуждалась возможность распространения уединенной волны (солитона) в нематическом жидком кристалле, подвергнутого сдвигу [117]. В этом случае возможны три типа солитонных решений и проанализирован их физический смысл. Отмечалось хорошее согласие результатов теории и эксперимента. В работе [118] рассматривалось уравнение для движения НЖК под действием зависящего от времени сдвига. Показано, что возможны два типа солитонов, которые движутся с зависящей от времени скоростью, пропорциональной скорости сдвига, сохраняя свою форму.
Хакеми [119] исследовалось влияние скрещенных акустического и переменного электрического полей на гомеотропно ориентированные слои НЖК. Частота акустического поля со = 20 МГц, электрическое поле изменялось с частотой 1 кГц. Найдено, что механизм взаимодействия акустического поля с молекулами нематика приводит к появлению завихренностей, обусловленных эффектами на границе ЖК - поверхность подложки. Энергия взаимодействия на границе определяется как толщиной нематической пленки, так и уровнем молекулярной разупорядоченности. Влияние граничных эффектов становится заметным при высоких амплитудах акустического поля и малых толщинах ЖК -образца (больше 20 мкм). Аналогичный эффект - эффект низкочастотного локального вращения был рассмотрен в работах [120 - 122] для нематических жидких кристаллов. Данный эффект отсутствует при планарной ориентации директора. В этом случае имеет место типичная картина пространственнопериодической деформации или ролл-структур. Хиратой [123] исследовалось влияние ширины ячейки (70 - 500 мкм) на структуру доменов Вильямса. Установлено, что структура доменов Вильямса изменяется, когда ширина ячейки примерно равна ширине доменов, причем эффект различно проявляется в переменном и постоянном электрических полях. В постоянном электрическом поле направление доменов
Методы поляризационно-оптического анализа слоя нематического жидкого кристалла при периодическом сдвиге
В обзоре [205] Евдокимов достаточно популярно объясняет понятия с приставкой «нано-», которые вошли в нашу повседневную жизнь, и приводит области их использования и применения. Возможность манипулировать частицами в виде отдельных атомов и молекул, позволяет создавать новые материалы с удивительными уникальными свойствами. Элементами для создания наноконструкций могут быть не только атомы неорганических соединений, но и молекулы биологической объектов, такие как, нуклеиновые кислоты. Подобные работы в области биофизики проводятся в Институте молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН.
Значение нанотехнологий трудно переоценить, так как они обеспечивают технологическую и оборонную безопасность, высокий потенциал экономического роста, который повышает качество жизни населения, энерго- и ресурсосбережение. Интерес к нанотехнологиям, вызванный для науки, медицины, а так же для промышленности состоит, в том, что они позволяют манипулировать с веществом на уровне отдельных атомов и молекул, создавать материалы с уникальной структурой - тончайшие полупроводниковые покрытия, углеродные нанотрубки, супер прочные нанокомпозиты. Для производства нанопродукции могут использоваться кремний, углерод, металлы, а так элементы биологической природы [205 - 207].
В связи с этим, необходимо отметить, что о широком диапазоне биологических "кирпичиков" (аминокислот, нуклеотидов, липидов). Кроме того, биологические химические элементы склонны к спонтанному образованию сложных пространственных структур. И еще, они податливы к регулируемой сборке, которую можно осуществлять различными путями, это дает возможность для создания самых разнообразных наноконструкций.
На нижней ступени иерархии самособирающихся биологических структур находятся мономеры - это нуклеозиды и нуклеотиды, а так же липиды и аминокислоты. Из них образуются полимеры (РНК, ДНК, полисахариды, белки). Полимеры самоорганизуются в ансамбли (органеллы, мембраны), а далее образуются клетки, органы и целые организмы.
Использование принципов самосборки, заложенных природой, дает возможность для создания искусственных наноструктур. В этом случае можно получать органические вещества с уникальными свойствами, а именно, получать химерные молекулы, состоящие из аминокислот и синтетических органических цепей. Это в свою очередь дает фантастические возможности для конструирования на основе биополимеров в биологии технических конструкций на базе наноматериалов.
Жидкий кристалл - это структура, состоящая из упорядоченных молекулярных слоев нуклеиновых кислот, которые сохраняют некоторые степени свободы, характерные для поведения молекул в жидком растворе. Жидкие кристаллы можно сравнить с потоком бревен, сплавляемых по реке, то есть все они в целом выстроены по течению в одном направлении, но каждое бревно плывет отдельно.
В природе существуют жидкокристаллические суспензии нуклеиновых кислот, которые имеют закрутку слоев в пространстве, такую же, как у холестерического жидкого кристалла. Термин "холестерик" появился в связи с тем, что изначально изучение ХЖК проводилось на производных холестерина, была обнаружена пространственная закрутка молекул ЖК. ХЖК получаются из соединений с выраженной анизотропией свойств по разным направлениям. Такими свойствами обладают ДНК и РНК, которые от природы, закручены в двойную спираль.
Фазовым исключением называется процесс, когда ЖК-дисперсии образуются из жестких "стерженьков" (коротких фрагментов ДНК или РНК) и они выталкиваются из водносолевого или воднополимерного раствора и вместе группируются. В результате процесса фазового исключения получают достаточно крупные частицы – ЖК-капельки ДНК размером порядка 0,5 мкм. Стабильность их зависит от свойств раствора. Каждая частица состоит из десяти тысяч молекул, расположенных достаточно ровными рядами на расстоянии 300 - 500 нм. Эта упорядоченность придает капелькам свойства кристалла, но необходимо отметить, что соседние молекулы образуют подвижные слои, т.е. имеют свойства жидкости. Таким образом, мы имеем тонкую ХЖК-пленку в клетке, у которой спиральная закрутка. Эту способность проявляют двухцепочечные молекулы нуклеиновых кислот, при любом удобном случае закручиваясь в спираль. В связи с тем, что азотистые основания хорошо поглощают ультрафиолет, то ХЖК имеет специфическую окраску. Она проявляется в виде способности вращать плоскость поляризации излучения (высокой оптической активности), которая в десятки и сотни раз превышает оптическую активность отдельных молекул. Необходимо отметить, что при образовании ЖК-дисперсии молекулы нуклеиновых кислот способны вступать в химическую реакцию.
Частицы ЖК-суспензий – это структура, в которой молекулы нуклеиновых кислот уже малоподвижны и упорядочены, но они недостаточно стабильны. Чтобы их стабилизировать, необходимо создать наномостики, которые сошьют эту трехмерную конструкцию, а так же встроят молекулы "гостей" с необходимыми свойствами.
Экспериментальные результаты изучения акустооптического эффекта методом двойного лучепреломления в тонких гомеотропных слоях жидких кристаллов
Соединение НФООБ (рисунок 2.1 г) интересно тем, что в жидкокристаллическом состоянии оно обладает как смектической, так и нематической фазами. Это позволяет исследовать особенности полярных свойств ЖК в окрестности фазового перехода нематик – смектик. Молекулы НФООБ имеют дипольный момент, который направлен почти вдоль оси молекулы.
Смесь на основе двухкольчатых эфиров состоит из трех соответствующих компонент, причем анизотропия диэлектрической проницаемости на этой смеси порядка нуля.
Методика приготовления смесей на основе жидких кристаллов заключалась в следующем. На весах взвешивались отдельные компоненты исходных ЖК, а затем перемешивались. Если одна из компонент при температуре смешивания находилась в твердом состоянии, а другая – в жидкокристаллическом, то твердая часть растворялась в жидкости с дальнейшим нагревом до температуры перехода в изотропное состояние более высокотемпературной компоненты. При смешивании жидких кристаллов, находящихся в твердом состоянии, все компоненты смеси механически перемешивались, затем нагревались до температуры перехода в изотропную фазу более высокотемпературной компоненты. Очистка смесей проводилась методом осаждения кристаллов в растворителе (бензоле) при температуре -15 оС. Затем очистка проводилась в лодочке при температуре замерзания -10 оС методом направленной кристаллизации (т.е. создавался градиент температуры вдоль лодочки). Полученные смеси имели анизотропию диэлектрической проницаемости порядка нуля.
Для проведения экспериментальных исследований свойств ЖК использовались ячейки типа «сэндвич». В каждом конкретном случае конструкция ячейки дорабатывалась. Конструкции экспериментальных ячеек представлены в таблице 2.2. Ячейка собирается из прозрачных стеклянных пластин (20 х 30 х 2 мм). Причем, однородность по толщине этой пластины контролировалась с помощью микрометра, это позволяло определять толщину пластин с точностью до 5 мкм. Степень деформирования (естественный изгиб пластин) определялся с помощью интерферометрического метода. Последнее позволило установить, что отклонение в плоскости используемых пластин от одного края до другого не превышает 1 - 2 мкм.
Проводящие покрытия из хрома на пластинах, образующих ячейку, получались следующим образом. Подложки предварительно тщательно обрабатывались в растворе серной кислоты и К2Сг207 (хромпик) с целью очистки поверхностей от всякого рода органических соединений, затем промывались в дистиллированной воде. После чего высушивались в течение 3 - 4 часов в сушильном шкафу при температуре Т « 150 оС. По окончании просушивания стеклянные пластины помещаются в вакуумный пост, в котором производится напыление на одну из поверхностей подложек металлического хрома Сг. Но предварительно после откачки атмосферного воздуха из рабочей камеры подложки нагреваются до температуры Т « 200 - 250 оС для создания лучшей адгезии напыляемого металла. После окончания процесса напыления пластины охлаждались в вакууме и извлекались из рабочей камеры. Проводимость получающегося покрытия составляла а « 1 Ом-м1, что соответствовало общему сопротивлению R « 200 - 300 Ом. При этом подложки были достаточно прозрачны, чтобы контролировать состояние ориентации молекул жидкокристаллической пленки. В качестве проводника, обеспечивающего контакт между подложками ячейки и разъемом, использовались медная проволока сечением S « 10-2 мм2, которая прикреплялась к хромированной поверхности стеклянной пластины с помощью проводящей смеси клея и майлар или стекла.
При использовании методики зондирования ЖК молекул сдвиговыми колебаниями в качестве прокладок служило покровное стекло, изготовленное в виде узких полосок, толщиной 130 - 200 мкм. В общем случае для исследования представляют интерес пленки толщиной /z « 10 - 135 мкм.
Экспериментальные результаты исследования азимутальной неустойчивости директора в поле сдвиговой волны
Перед тем как аналоговый сигнал преобразовывался в цифровую форму, он редактировался на предмет выявления и исключения, искаженных и аномальных сигналов, возникающих из-за снижения уровня сигнала, высокого уровня помех, и т.д. С целью контроля регистрируемый сигнал так же подавался на осциллограф для сравнения с уровнем шума.
В диссертационной работе применялись цифровые методы анализа случайных процессов [154, 155]. Процесс преобразования сигнала в цифровую форму производился следующим образом. Как показано на рисунке 2.4, дискретизация непрерывного процесса производилась через равные промежутки времени At=h. Величина интервала дискретности At выбиралась так. В том случае, если отсчеты расположены в точках слишком близко друг к другу, то получим коррелированные данные, но их число будет избыточно велико, что вызовет увеличение, как стоимости расчетов, так и их объема. Но если имеет место случай, когда в выборках точки отстоят друг от друга слишком далеко, то возможно перепутывание низко- и высокочастотных составляющих сигнала. Следовательно, такое наложение частот неизбежно дает ошибку при дискретизации. На рисунке 2.4 видно, что скорость дискретизации равна 1/h отсчетов в секунду. Чтобы дискретная реализация содержала те же частоты, что и исходный непрерывный сигнал, необходимо, чтобы на каждый цикл колебания приходилось, хотя бы 2 отсчета. Наиболее высокая частота, выделенная при дискретизации со скоростью І/h отсчетов в секунду, будет равна l/2h Гц. Отметим, что более высокие частоты, содержащиеся в исходном сигнале, будут свернуты в диапазон 1 - lllh Гц и неизбежно смешаются с более низкими частотами этого диапазона. Чтобы исключить влияние маскировки, применялся следующий метод [154]. Согласно нему граничная частота (частота Найквиста [154, 155]) сос выбиралась в 1,5 - раза больше ожидаемой частоты в спектре исследуемого сигнала. Предварительные экспериментальные исследования показали, что спектры мощности интенсивности прошедшего света через ЖК -ячейку содержали основной пик приблизительно на частоте 2 - 3 Гц, следовательно, частота Найквиста бралась юс= 10 Гц.
Для того чтобы избавиться от составляющих сигнала с частотами выше наиболее высокой выбранной граничной частоты, до снятия отсчетов предварительно процесс фильтровался аналоговым активным четырех полюсным фильтром нижних частот с частотами среза сос = У2 nRC = 2; 5; 10; 50 Гц. Далее сигнал усиливался операционным усилителем (ОУ) с коэффициентами усиления 5; 10; 50; 100. ОУ - это многокаскадное электронное устройство, в состав которого входит большое количество транзисторов, поэтому для питания транзисторов к ОУ подключался источник постоянного тока. ОУ работают с питающим напряжением от +10 до +15 В. В нашем случае, объем выборки N выбирался, исходя из желаемой точности дальнейших оценок, длина реализации Т должна была удовлетворять равенству T=Nh.
В диссертационной работе использовался прибор для исследования вероятностных характеристик случайных процессов, который является многофункциональным аналогово-цифровым микропроцессорным измерителем. Прибор работает методом дискретных выборок, т.е. напряжение исследуемого аналогового сигнала анализируется в дискретных по времени точках, разделенных интервалами At. Прибор состоит из двух блоков: 1) индикатора статистических характеристик (ИСХ); 2) преобразователя низкой частоты (ПНЧ) до 500 кГц. Преобразователь предназначен для дискретизации и квантования входных аналоговых сигналов, а также выполняет группировку и предварительную обработку данных для исследуемого усреднения в ИСХ. ИСХ предназначен для усреднения поступающей от преобразователей информации, обработки результатов измерения и выдачи их на дисплей или внешние устройства. ИСХ также обеспечивает управление изделием с помощью собственной клавиатуры или с внешней ЭВМ.
Входной аналоговый сигнал через аналоговые цепи поступает на аналогово-цифровые преобразователи (АЦП). С АЦП сигнал в цифровой форме поступает на устройства предварительной обработки и группировки сигналов соответственно алгоритму измеряемой характеристики. Цифровая кодировка представлялась 10 различными цифрами, что соответствовало диапазону от 0 до 1024 (от 1 до 1 В) уровней квантования. Если имело место идеальное преобразование, тогда ошибка квантования распределялась равномерно со стандартным отклонением 0,29 Ах, где Ах - шаг квантования.
