Введение к работе
Актуальность проблемы. Широкое применение жидких кристаллов в качестве рабочего тела электрооптических матриц устройств отображения информации, систем хранения информации, оптических модуляторов и других технических устройств вызывает необходимость их комплексного исследования. Высокая подвижность частиц жидких кристаллов (ЖК), совпадающая по порядку величины с подвижностью молекул в ассоциированных жидкостях, в сочетании с ярко выраженной анизотропией физических свойств, присущих твердым кристаллам, приводит к проявлению специфических свойств нематических жидких кристаллов (НЖК). Наличие ориентационной степени свободы обусловливает уникальные свойства жидких кристаллов, связанные с высокой чувствительностью пространственного распределения ориентационной структуры нематической фазы к воздействию электрических и магнитных полей, а также к изменению давления и температуры. В этой связи актуальным представляется изучение влияния термодинамических параметров состояния на кинетику макроскопических релаксационных процессов (которые могут быть связаны с вращениями отдельных анизометрических молекул и их фрагментов, а также с движением молекулярных комплексов), определяющих интегральное динамическое поведение НЖК в меняющихся внешних полях.
При решении теоретических и прикладных задач, связанных с динамикой ориентационных процессов в НЖК во внешних переменных электрических и магнитных полях широкое применение находит гидродинамика, являющаяся наиболее развитой феноменологической теорией мезоморфного состояния. Возможность получения в рамках гидродинамики НЖК адекватных решений уравнения движения директора во вращающихся магнитных полях делает перспективным экспериментальное и теоретическое изучение поведения НЖК в ротационных магнитных полях для уточнения соотношений гидродинамики нематической фазы и определения молекулярно-кинетических параметров, характеризующих ориентационную релаксацию и являющихся функциями давления и температуры. Повышение давления приводит к расширению температурного интервала существования нематической фазы. Таким образом, особое значение приобретает изучение влияния давления на динамику ориентационных процессов в нематической фазе, включая области полиморфных превращений. Расширение диапазона угловых скоростей вращения магнитного поля, в котором сохраняется однородная ориентационная структура НЖК при уменьшении угла между результирующим вектором индукции вращающегося магнитного поля и осью вращения обеспечивает эффективность исследования релаксационных свойств НЖК в конических магнитных полях.
Перспективным способом исследования кинетики релаксационных процессов в нематической фазе является акустическая спектроскопия. Одно из преимуществ акустического метода заключается в возможности широкого варьирования параметра , где - частота ультразвука, - время релаксации -го процесса. Наряду с этим акустический метод позволяет исследовать
зависимость неравновесных свойств НЖК от степени ориентационной упорядоченности в условиях значительной величины отношения линейных размеров образца к магнитной длине когерентности, что позволяет пренебречь влиянием поверхностей на ориентационную структуру. Обеспечивая возможность проведения исследований в автоклавных условиях, акустический метод позволяет получать информацию о величинах скорости и коэффициента поглощения ультразвука в НЖК, которые могут быть использованы для расчета анизотропных диссипативных коэффициентов и модулей упругости при изменяющихся - термодинамических параметрах состояния. Высокая чувствительность акустических свойств ЖК к изменению ориентационной структуры обусловливает информативность акустического метода исследования предпереходных явлений.
C учетом задач, решаемых в настоящей работе, в качестве объектов исследования выбраны следующие жидкокристаллические соединения и смеси НЖК:
1) п-н-метоксибензилиден-п-бутиланилин (МББА),
2) п-н-бутоксибензилиден-п-бутиланилин (БББА),
3) п-н-этоксибензилиден-п-бутиланилин (ЭББА),
4) эвтектическая смесь, содержащая 2 части МББА и 1 часть ЭББА (ЖК-404),
5) смесь ЖК-440, содержащая:
1 часть п-н-бутил-п-гептаноилоксиазоксибензола (БГОАБ, ЖК-439),
2 части п-н-бутил- п-метоксиазоксибензола (БМОАБ, ЖК-434),
6) смесь (Н-96), содержащая следующие компоненты:
а) п-н-бутил-п-гексилоксиазоксибензол,
б) п-н-бутил-п-метоксиазоксибензол (БМОАБ, ЖК-434),
в) н-бутил-п-(н-гексилоксифеноксикарбонил)-фенилкарбонат (Н-22),
г) н-бутил-п-(н-этоксифеноксикарбонил)-фенилкарбонат (Н-23).
Выбор объектов исследования обусловлен их научно-прикладной значимостью. Исследование МББА, как НЖК наиболее детально изученного другими методами, позволяет рассчитать параметры, характеризующие релаксационные свойства нематической фазы, а также открывает широкие возможности анализа ряда положений гидродинамических и молекулярно-статистических теорий мезофазы. Изучение смесей НЖК обусловлено тем, что присущее им расширение температурного интервала нематической фазы относительно компонентов смеси позволяет исследовать динамику ориентационных процессов в области состояний, не подверженных влиянию предпереходных явлений. Это открывает перспективу оценки воздействия гетерофазных флуктуаций на кинетические свойства мезофазы. Наряду с исследованием нематико – изотропных фазовых переходов интерес представляет изучение динамики критических явлений в области фазового перехода нематический – смектический жидкий кристалл. Выбор в качестве объекта исследования БББА обусловлен высокой надежностью классификации смектических фаз и широким температурным интервалом нематической фазы. Это позволяет с высокой точностью выделить регулярную составляющую коэффициента вращательной вязкости, а также нормальные и критические части акустических параметров и сопоставить экспериментальные результаты с выводами теорий фазовых переходов НЖК – изотропная жидкость и нематический – смектический-A жидкий кристалл.
Цель работы. Основной задачей диссертации является исследование релаксационных свойств жидких кристаллов, подверженных воздействию статических и периодически меняющихся магнитных полей, включая области фазовых превращений при изменяющихся термодинамических параметрах состояния акустическим методом. Решение данной задачи включает разработку методики исследования акустических параметров НЖК в статических и меняющихся магнитных полях в условиях вариации частоты ультразвука; разработку и создание комплекса экспериментальных установок для исследования релаксационных свойств НЖК акустическим методом при изменяющихся - термодинамических параметрах состояния в статических и вращающихся магнитных полях различных индукций, а также в конических магнитных полях в условиях вариации угла между вектором индукции магнитного поля и осью вращения; исследование влияния - термодинамических параметров состояния на скорость и коэффициент поглощения ультразвука и их анизотропию; анализ влияния давления на динамику ориентационных процессов в окрестности фазовых переходов; исследование влияния термодинамических параметров состояния на анизотропные диссипативные и упругие коэффициенты НЖК, включая области полиморфных превращений; оценку границ применимости гидродинамических и молекулярно-статистических теорий нематической фазы и уточнение соотношений гидродинамики; выявление возможностей применения результатов исследования релаксационных свойств НЖК для решения прикладных задач.
Научная новизна. Разработана оригинальная методика акустических исследований динамики ориентационных процессов в НЖК в конических магнитных полях, а также в статических и вращающихся магнитных полях при изменяющихся - термодинамических параметрах состояния.
Впервые исследовано влияние давления и температуры на анизотропию скорости и коэффициента поглощения ультразвука в НЖК, включая области полиморфных превращений, при постоянном объеме. Установлен характер зависимости анизотропных акустических параметров от удельного объема, давления и температуры. Выполнен анализ природы релаксационных процессов, определяющих зависимость скорости и поглощения ультразвука и их анизотропии от термодинамических параметров состояния.
Проведено детальное экспериментальное исследование влияния -термодинамических параметров состояния на анизотропные диссипативные коэффициенты и модули упругости НЖК. Показана эффективность применения молекулярно-статистических теорий мезофазы для описания зависимости диссипативных коэффициентов НЖК от давления и температуры.
Впервые акустическим методом исследованы релаксационные свойства НЖК в конических магнитных полях. Экспериментально установлен характер зависимости амплитудных и частотных параметров временной зависимости анизотропии коэффициента поглощения ультразвука от температуры НЖК и характеристик конического магнитного поля. Обоснована возможность применения акустического метода для исследования динамики ориентационных процессов в НЖК в периодически меняющихся магнитных полях.
Разработана модель изменения амплитудных и частотных парамеров анизотропии коэффициента поглощения ультразвука во вращающемся и коническом магнитном поле. Согласие результатов экспериментальных исследований релаксационных свойств НЖК в синхронном режиме вращающегося и конического магнитного поля с выводами теоретической модели позволило рассчитать время ориентационной релаксации и характер его зависимости от - термодинамических параметров состояния.
Обнаружено расхождение амплитудных параметров фазовой характеристики анизотропии коэффициента поглощения ультразвука в течение переходного процесса в асинхронном режиме с выводами гидродинамики НЖК. Установлен характер зависимости амплитудных и частотных параметров фазовой характеристики анизотропии коэффициента поглощения ультразвука от угла между осью вращения и вектором индукции магнитного поля.
Экспериментально исследовано влияние давления на распространение ультразвука в ЖК в области фазового перехода НЖК – изотропная жидкость и НЖК – смектический А жидкий кристалл и на особенности фазовых переходов.
Впервые экспериментально исследовано влияние давления и температуры на коэффициент вращательной вязкости при постоянном объеме. Предложена модель для интерпретации зависимости коэффициента вращательной вязкости от термодинамических параметров состояния.
Практическая ценность. Создан комплекс измерительных установок для исследования релаксационных свойств ЖК акустическим методом в статических и периодически меняющихся магнитных полях при изменяющихся термодинамических параметрах состояния в условиях вариации параметров магнитного поля и частоты ультразвука. Разработана двухканальная акустическая камера, обеспечивающая возможность одновременного измерения коэффициента поглощения, скорости ультразвука и их анизотропии, амплитудных и частотных параметров фазовой характеристики анизотропии коэффициента поглощения ультразвука во вращающемся магнитном поле, а также плотности ЖК при высоких давлениях.
Обоснована применимость и показана высокая информативность акустического метода при исследовании динамики ориентационных процессов в ЖК в периодически меняющихся магнитных полях. Получен массив данных по результатам экспериментальных исследований акустических, вязкоупругих, термодинамических и релаксационных свойств ЖК и их смесей, являющихся основой рекомендаций научно-прикладного характера. Полученные результаты могут быть использованы для проверки адекватности молекулярно-статистиче-ских теорий мезофазы и уточнения уравнений гидродинамики НЖК. Широко представленные в работе числовые значения акустических параметров и коэффициентов, характеризующих релаксационные процессы в НЖК, а также критические явления в области полиморфных превращений, могут быть использованы для расчета параметров устройств с жидкокристаллическим рабочим телом.
Автор защищает. Методические разработки и результаты экспериментальных исследований акустическим методом релаксационных свойств нематических жидких кристаллов, включая области полиморфных превращений; результаты исследования влияния параметров конического и вращающегося магнитного поля на фазовую характеристику анизотропии коэффициента поглощения ультразвука; предложенную модель изменения амплитудных и частотных параметров фазовой характеристики анизотропии коэффициента поглощения ультразвука в коническом и вращающемся магнитном поле; результаты исследования зависимости анизотропных акустических параметров, анизотропных коэффициентов вязкости и модулей упругости НЖК, а также параметров, характеризующих динамику критических процессов в области нематико - изотропного и нематико – смектического А фазового перехода от термодинамических параметров состояния.
Апробация работы. Основные результаты работы изложены более, чем в 80 статьях и тезисах, опубликованных в отечественной и зарубежной печати. Содержание диссертационных исследований были представлены на: 4…6-й конференции социалистических стран по жидким кристаллам (Тбилиси, 1981 г., Одесса 1983 г., Галле 1985 г.), Х-й и XI-й Всесоюзной акустической конференции (Москва, 1983 г., 1991 г.), V-й и VI-й Всесоюзной конференции «Жидкие кристаллы и их практическое использование» (Иваново, 1985 г., Чернигов, 1988 г.), научно-технической конференции по состоянию и проблемам технических измерений (Воронеж, 1997 г., 1999 г.), III-й, VIII-й, IX-й Всероссийской конференции «Методы и средства измерения физических величин» (Нижний Новгород, 1998 г., 2003 г., 2004 г.), IV-й и VIII-й Международной научно-техни-ческой конференции «Радиолокация, навигация и связь» (Воронеж, 1998 г., 2002 г.), I-й и II-й Всероссийской научно-технической конференции «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве» (Нижний Новгород, 1999 г., 2000 г.), 12-й зимней школе по механике сплошных сред (Пермь, 1999 г.), Европейской конференции по жидким кристаллам (Херсонес, 1999 г.), II-й, III-й, V-й Всероссийской конференции «Методы и средства измерений» (Нижний Новгород, 2000 г., 2001 г., 2002 г.), I-й и II-й Всероссийской конференции «Фагран» (Воронеж, 2002 г, 2004 г.), XXI-й международной конференции «Релаксационные процессы в диэлектриках» (Воронеж, 2004), 10-й, 17-й, 18-й, 20-й, 21-й международной конференции по жидким кристаллам (Англия, Йорк, 1984 г., Страсбург, 1998 г., Япония, Сендай, 2000 г, Любляна, 2004 г., Кейстон, 2006 г.).
Структура и объем работы. Диссертация содержит 245 страниц машинописного текста, 88 таблиц, 122 рисунка, библиографический список из 204 наименований, состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения.
