Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Физические свойства нематических жидких кристаллов (обзор)
1. Основные сведения о жидких кристаллах 15
1.1 Классификация термотропных жидких кристаллов 16
1.2 Классификация лиотропных жидких кристаллов 20
2. Теория континуума одноосных нематических жидких кристаллов 24
3. Ориентационные электро - и магнитооптические эффекты в одноосных
нематических жидких кристаллах 35
3.1. Постановка задач 35
3.2. Переход Фредерикса 37
3.3. Флексоэлектрический эффект 44
4. Резюме 49
Глава II. Влияние электрического поля на гомеотропные слои термотропных нематических жидких кристаллов
1. Методика экспериментов 52
1.1. Выбор объектов исследования и получение гомеотропных слоев...52
1.2. Поляризационно - оптический метод 57
1.2.1. Методика исследования флексоэлектрического эффекта 59
1.2.2. Методика измерения порогового напряжения Фредерикса...62
1.3. Лазерно - фазометрический метод 63
1.4. Методика измерения неоднородности электрического поля и электропроводности 66
1.5. Анализ погрешностей измерений 70
2. Обратный флексоэлетрический эффект в сильных электрических полях.74
2.1. Экспериментальные результаты 74
2.2. Постановка задачи 79
2.3. Анализ задачи 82
2.4. Численное решение 85
2.5. Сопоставление теории и эксперимента 88
3. Влияние состояния поверхности на электрооптические характеристики флексоэлектрического эффекта 97
4. Влияние состояния поверхности на пороговые характеристики электрооптического эффекта, связанного с переходом Фредерикса 102
5. Основные результаты 112
Глава III. Упругие и вязкие свойства лиотропных нематических жидких кристаллов
1. Размеры структурных элементов в лиотропных жидких кристаллах 115
2. Упругие свойства мицеллярной каламитической фазы в системе децилсульфат натрия (NaDs) - деканол (DeOH) - вода 122
3. Упругие и вязкие свойства хромонического нематика в системе дисульфоидантрон (DSI) - вода 127
3.1. Методика экспериментов 127
3.1.1. Создание экспериментальных образцов 127
3.1.2. Экспериментальная установка для измерения констант упругости и коэффициентов вязкости 131
3.1.3. Методика определения констант упругости К3, К2 и коэффициента вращательной вязкости у\ 136
3.1.4. Методика измерения параметра порядка S 140
3.1.5. Расчет погрешностей при измерении констант упругости, коэффициента вязкости и параметра порядка 141
3.2. Исследование влияния магнитного поля на планарные слои нематической фазы в системе DSI - вода 145
3.3. Концентрационные зависимости констант упругости и коэффициента вязкости в системе DSI - вода 150
3.4. Температурные зависимости констант упругости и коэффициента вязкости в системе DSI - вода 156
4. Упругие и вязкие свойства лиотропного колоночного нематика в системе тетрапалладиевый органил (ТРО) - пентадекан 165
4.1. Экспериментальное обнаружение перехода нематик (Ni) —> нематик (N2) в системе ТРО - пентадекан по результатам измерения электропроводности и поляризационно - оптическим наблюдениям 167
4.2. Методика измерения констант упругости и коэффициента вязкости в системе ТРО - пентадекан 171
4.3. Температурные зависимости констант упругости и коэффициента вязкости в системе ТРО - пентадекан 177
5. Основные результаты 182
Глава IV. Периодические структуры в лиотропных нематических жидких кристаллах
1. Ориентационная неустойчивость лиотропного нематика при течении... 184
2. Магнито - гидродинамические домены 2- го рода в лиотропных нематических жидких кристаллах 190
3. Экспериментальное исследование магнито - гидродинамических доменов 2- го рода в лиотропном хромоническом нематике системы дисульфоиндантрон - вода 205
4. Основные результаты 215
Глава V. Тактоидная фаза в лиотропном неорганическом жидком кристалле системы пятиокись ванадия (V2O5) - вода
1. Влияние магнитного поля на нематическую фазу лиотропного неорганического жидкого кристалла V2O5 - вода 221
2. Теоретическое описание вытянутой формы тактоидов 228
2.1. Постановка задачи 230
2.2. Анализ задачи 237
2.3. Численное решение 240
3. Зависимость констант упругости и энергии сцепления от времени старения золей V2O5 - вода 245
3.1. Методика эксперимента 245
3.2. Сопоставление теории и эксперимента 249
4. Влияние магнитного поля на тактоидную фазу 259
4.1. Постановка задачи 259
4.2. Анализ задачи 263
4.3. Численное решение 266
5. Основные результаты 269
Основные результаты и выводы 272
Литература
- Классификация лиотропных жидких кристаллов
- Методика исследования флексоэлектрического эффекта
- Экспериментальная установка для измерения констант упругости и коэффициентов вязкости
- Магнито - гидродинамические домены 2- го рода в лиотропных нематических жидких кристаллах
Введение к работе
Сегодня широко известны термотропные и лиотропные жидкие кристаллы (ЖК). Первые из них находят применение в технике. Они используются при создании индикаторных устройств, модуляторов, девиаторов, индикаторов температуры и акустических полей, плоских телевизионных экранов. Эти важные практические применения стимулировали широкие исследования по синтезу новых ЖК и получению различных композиций, исследованию их физических характеристик.
Особенно широко изучается влияние электрического поля на ориентированны тонкие (10-100 мкм) слои нематических жидких кристаллов (НЖК). Это обусловлено тем важным обстоятельством, что оптические свойства слоев, такие как двулучепреломление, значительно изменяются при приложении к ним очень малых управляющих электрических напряжений, порядка нескольких вольт.
Применение тонких слоев приводит к целому ряду особенностей в протекании физических процессов в таких образцах, а также определяет конструктивные, технологические и эксплуатационные характеристики самих электрооптических устройств. Такие тонкие слои заключены между двумя твердыми опорными поверхностями. Поэтому для них существенное значение приобретает поверхностная поляризация жидкого кристалла и его взаимодействие с опорными поверхностями, характеризующееся величиной энергии сцепления. На момент начала выполнения настоящей работы эти вопросы являлись наименее изученными, хотя выяснение особенностей поверхностных слоев и их изменение позволило бы управлять электрооптическими характеристиками гомеотропных слоев НЖК, и тем самым приборами на их основе.
Что касается лиотропных НЖК, то для них, к моменту начала выполнения диссертации, были известны работы, посвященные как правило структурным или физико - химическим свойствам этих систем.
Экспериментальные исследования влияния электрического и магнитного полей на различные по химическому строению лиотропные НЖК практически отсутствовали. Не был экспериментально решен вопрос о возможности применения теории континуума, разработанной для термотропных НЖК к лиотропным НЖК. Практически отсутствовали экспериментальные данные, касающиеся макроскопических свойств (констант упругости и коэффициентов вязкости) лиотропных НЖК. Решение этих вопросов позволило бы существенно расширить наши современные представления о лиотропном мезоморфизме и дало бы экспериментальную базу для развития молекулярных представлений о природе физических свойств лиотропных НЖК.
В связи с этим, целью настоящей диссертационной работы является экспериментальное исследование влияния электрического и магнитного полей на термотропные и лиотропные НЖК, экспериментальное выяснение возможностей распространить теорию континуума на лиотропные НЖК, использование электрического и магнитного полей для измерения физических свойств лиотропных НЖК.
Для осуществления указанной цели ставились следующие задачи;
1. Создание электро - и магнитооптических установок для исследования влияния электрического и магнитного полей на термотропные и лиотропные НЖК.
2. Разработка методов получения гомеотропных слоев термотропных НЖК с заданной энергией сцепления.
3. Нахождение способов оценки энергии сцепления и поверхностной поляризации из экспериментальных данных по флексоэлектрическому эффекту и переходу Фредерикса.
4. Экспериментальное изучение влияния поверхностной поляризации и энергии сцепления гомеотропных слоев термотропных НЖК на электрооптические эффекты, связанные с флексоэлектрической деформацией и переходом Фредерикса.
5. Разработка методики и измерение размеров анизометричных частиц, существующих в изотропной фазе лиотропного ЖК.
6. Экспериментальное исследование влияния электрического и магнитного полей на три различные по химическому строению (мицеллярные каламитики, хромонические и колоночные нематики) лиотропных НЖК.
7. Экспериментальное и теоретическое исследование периодических структур, возникающих в лиотропных НЖК при воздействии на них магнитного поля и течений.
8. Экспериментальное исследование влияния магнитного поля на неорганические лиотропные НЖК и тактоидную фазу.
9. Экспериментальное и теоретическое исследование тактоидной фазы неорганических лиотропных ЖК.
Решение этих задач позволило получить следующие новые научные результаты:
1. Впервые экспериментально обнаружено, что в сильных электрических полях, приложенных к гомеотропным слоям термотропных НЖК, наблюдается отклонение от квадратичного закона в зависимости двулучепреломления от напряженности поля.
2. Впервые теоретически решена задача о деформации гомеотропных нематических слоев под действием электрического поля в полной постановке, что позволило рассчитать электрооптические характеристики таких слоев в сильных полях.
3. Впервые показана возможность управления величиной энергии сцепления путем изменения концентрации водного раствора цетилтриметиламмонийбромида (ЦТАБ), который используется для создания гомеотропных нематических слоев.
4. Впервые экспериментально показано влияние энергии сцепления и поверхностной поляризации на двулучепреломление при исследовании флексоэлектрического эффекта в термотропных НЖК.
5. Впервые экспериментально установлено, что уже в изотропной фазе, которая является предшественником нематической фазы хромонического жидкого кристалла системы DSI - вода, возникают стержнеобразные агрегаты молекул DSI.
6. Впервые установлено, что экспериментальные исследования влияния электрического и магнитного полей на лиотропные НЖК хорошо согласуются с теорией континуума, разработанной для термотропных НЖК.
7. Впервые проведены измерения констант упругости и коэффициентов вязкости для трех различных по химическому строению (мицеллярный каламитик, хромонический и колоночный нематики) лиотропных НЖК.
8. Впервые проведены измерения температурных и концентрационных зависимостей констант упругости и коэффициентов вязкости исследованных видов лиотропных НЖК.
9. Впервые экспериментально обнаружено, что в лиотропных НЖК в процессе перехода от планарной к гомеотропной ориентации под действием границ могут возникать периодические структуры.
Ю.Впервые решена задача о магнито - гидродинамических доменах 2-го рода в лиотропных НЖК с учетом энергии сцепления. 11.Впервые обнаружено влияние магнитного поля на неорганические лиотропные НЖК. 12.Впервые проведены экспериментальные исследования и предложено теоретическое описание вытянутой формы тактоидов в тактоидной фазе неорганических лиотропных ЖК. 13.Впервые получены значения констант упругости, энергии сцепления и поверхностного натяжения в тактоидной фазе неорганических лиотропных ЖК.
Н.Впервые экспериментально обнаружено, что магнитное поле вытягивает крупные тактоиды. Предложено теоретическое описание этого явления.
Полученные в диссертации новые научные результаты имеют следующее практическое значение:
1. Найденный способ управления величиной энергии сцепления для гомеотропных слоев термотропных НЖК может позволить оптимизировать характеристики электрооптических элементов на жидких кристаллах. Изученные в работе конкретные электрооптические элементы могут быть использованы в качестве фазосдвигающих устройств в лазерных фазометрах, в системах оптической связи, в поверочных устройствах, предназначенных для поверки других фазосдвигающих оптических элементов.
2. Экспериментальные результаты, полученные о лиотропных НЖК, существенно расширяют наши современные представления о лиотропном мезоморфизме и дают экспериментальную базу для развития молекулярных представлений о природе их физических свойств.
В работе защищаются следующие основные положения:
1. Для гомеотропных слоев термотропных НЖК отклонение от квадратичного закона зависимости двулучепреломления от напряженности электрического поля связано с диэлектрической стабилизацией слоя и воздействием границ.
2. Энергия сцепления и поверхностная поляризация влияют на электрооптические характеристики и пороговое поле Фредерикса тонких гомеотропных слоев термотропных НЖК.
3. Теория континуума, разработанная для термотропных НЖК, применима для описания влияния электрического и магнитного полей на лиотропные НЖК.
4. Две нематические фазы, которые наблюдаются в лиотропных НЖК отличаются температурным поведением физических свойств и значением параметра порядка.
5. Существенное отличие лиотропных НЖК от термотропных заключается в значениях величин, характеризующих их физические свойства. Для обоих типов ЖК константы упругости по порядку величины совпадают. Коэффициент вращательной вязкости лиотропных НЖК на два порядка больше, чем для термотропных НЖК.
6. Долгоживущие периодические структуры, возникающие в лиотропных НЖК, связаны с диссипативными процессами и большими значениями коэффициентов вязкости.
7. Причиной вытянутой формы тактоидов являются сверхнизкие значения поверхностного натяжения а и большие значения энергии сцепления по сравнению с а. Вытянутая форма крупных тактоидов в золях неорганического лиотропного жидкого кристалла V205 - вода связана с конкуренцией между упругой энергией нематической фазы тактоида и поверхностной энергией на границе тактоида. Вытянутая форма мелких тактоидов связана с конкуренцией между поверхностной энергией и энергией сцепления.
8. Магнитное поле ориентирует и вытягивает тактоиды за счет анизотропии магнитной восприимчивости и энергии сцепления поля директора с границей тактоидов.
Работа состоит из введения, пяти глав и списка цитируемой литературы.
Глава I посвящена обзору литературы, относящейся в основном к теории континуума, физическим свойствам и влиянию электрического поля на термотропные НЖК.
В главе II представлены результаты экспериментальных и теоретических исследований влияния электрического поля на гомеотропные слои термотропного НЖК Ы-(п-метоксибензилиден) - п - бутиланилина (МББА). Основное внимание уделено влиянию границ (энергии сцепления и поверхностной поляризации) на электрооптические характеристики таких слоев.
Глава III посвящена экспериментальному—исследованию .влияния электрического и магнитного полей на три различных по химическому строению вида лиотропных НЖК. Это мицеллярный каламитик системы децилсульфат натрия (NaDS) - деканол (DeOH) - вода, хромонический нематик системы DSI - вода, колоночный нематик системы тетрапалладиевый органил (ТРО) - пентадекан. В результате установлено, что все полученные экспериментальные результаты хорошо описываются в рамках теории континуума, разработанной для термотропных НЖК. На основе проведенных исследований впервые получены экспериментальные значения констант упругости и коэффициентов вязкости исследованных систем.
В главе IV представлены результаты экспериментальных и теоретических исследований периодических структур в лиотропном хромоническом нематике системы DSI - вода. Они возникают в результате воздействия на него магнитного поля или в процессе его перехода от планарной к гомеотропной ориентации под действием границ. Сопоставление экспериментальных и теоретических исследований позволяет получить информацию о константах упругости и коэффициентах вязкости изучаемой системы.
Глава V посвящена исследованию нематической и тактоидной фаз неорганического лиотропного ЖК системы пятиокись ванадия (V2O5) - вода, а также влиянию на них магнитного поля. В результате этих исследований впервые дано объяснение вытянутой формы тактоидов, получены экспериментальные значения физических свойств (константы упругости, энергия сцепления, поверхностное натяжение) для типичного представителя неорганических лиотропных ЖК.
Апробация работы.
Результаты диссертационной работы представлялись, докладывались и обсуждались на Международной конференции Социалистических стран по жидким кристаллам (Тбилиси, 1981); XI Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Ереван, 1982); 4 Всесоюзной научно -технической конференции по фотометрии и ее метрологическому обеспечению (Москва, 1982); V Международной конференции Социалистических стран по жидким кристаллам (Одесса, 1983); III научно -техническом семинаре "Оптические свойства жидких кристаллов и их применение" (Ленинград, 1983); V Всесоюзная научная конференция "Жидкие кристаллы и их практическое использование" (Иваново, 1985); I Всесоюзный семинар "Оптика жидких кристаллов" (Ленинград, 1987); I Всесоюзное совещание по лиотропным жидким кристаллам (Иваново, 1990); Summer European Liquid Crystals Conference (Vilnius, Lithuania, 1991); II Международная конференция по лиотропным жидким кристаллам (Иваново, 1993); 15h International liquid crystal conference (Budapest, Hungary, 1994); 11th Conference on solid and liquid crystals - material science and applications (Zakopane, Poland, 1994); European conference on liquid crystals (Zakopane, Poland, 1997); III Международная конференция по лиотропным жидким кристаллам (Иваново, 1997); European conference on liquid crystals (Hersonissos, Crete, Greece, 1999); XIII Conference on liquid crystals (Krynica Zdroj, Poland, 1999); IV International meeting on lyotropic liquid crystals (Ivanovo, Russia, 2000); XIV Conference on liquid crystals (Zakopane, Poland, 2001); Международная научная конференция "Кристаллизация в наносистемах" (Иваново, 2002); Vth International meeting on lyotropic liquid crystals (Ivanovo, Russia, 2003).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 56 работ.
В заключение я хочу выразить благодарность своим друзьям и коллегам из Всесоюзного научно - исследовательского института оптико -физических измерений, Научно - исследовательского института органических полупродуктов и красителей и института элементоорганических соединений РАН за многолетнюю совместную работу. Особую признательность хочу выразить профессору Анатолию Степановичу Сонину за многочисленные дискуссии и критические замечания, которые способствовали улучшению работы. Я благодарен также Хан Ир Гвону за предоставление красителя дисульфоиндантрона и профессору К. Praefcke за предоставление тетрапалладиевого органила, для проведения физических исследований этих веществ.
Классификация лиотропных жидких кристаллов
В настоящее время в основе классификации лиотропных жидких кристаллов лежат скорее химические, а не физические принципы. Лиотропные жидкие кристаллы подразделяются по химическому устройству анизометричных агрегатов молекул, которые способны ориентационно упорядочиваться и создавать дальний ориентационный порядок.
Первый класс лиотропных жидких кристаллов (ЛЖК) - мицеллярные. Они возникают при растворении поверхностно - активных веществ (ПАВ) в определенных растворителях (часто это бывает вода) [2, 4]. В результате гидрофобных взаимодействий молекулы ПАВ образуют мицеллы, которые в определенном интервале концентраций и температур принимают анизометричную форму (палочки или диски) (рис. 1.3). За счет взаимодействия между такими мицеллами возникает дальний ориентационный порядок.
В мицеллярных жидких кристаллах, так же как и в термотропных, существуют нематические фазы. Здесь они подразделяются на три группы: каламитики Nc (мицеллы имеют форму палочек), дискотики JVD (мицеллы имеют форму дисков) и двухосную фазу JVbx (мицеллы имеют форму эллипсоида общего вида) [4] (рис. 1.3,4). Здесь важно отметить, что такие же
Структурные элементы лиомезофаз: трехосная мицелла и ее трансформации в дискотическую и каламитическую мицеллу. нематические фазы наблюдаются и в термотропных жидких кристаллах. Однако, каждая из нематических фаз может существовать только в определенном химическом соединении и фазовые переходы между ними при изменении температуры невозможны. В мицеллярном жидком кристалле все три нематические фазы могут наблюдаться в одном и том же растворе при различных концентрациях и температурах [4].
При изменении концентрации и температуры возможно резкое увеличение размеров мицелл (палочек или дисков). Это приводит к возникновению соответственно гексагональной или ламеллярных фаз (рис. 1.5). Лиотропные мицеллярные мезофазы: а - гексагональная, б - ламеллярная.
Ламеллярные мезофазы являются аналогом смектических фаз с периодической функцией плотности. Гексагональная мезофаза возникает в системе очень длинных цилиндрических мицелл упакованных по гексагональному закону. Более полное описание структуры мицеллярных жидких кристаллов представлено в обзоре [2].
Второй класс ЛЖК - хромонические. Они возникают в растворах красителей и лекарственных веществ [5]. Название хромонические происходит от наименования антиастматика хромогликата натрия, типичного представителя этого вида жидких кристаллов. Хромонические мезофазы образуют низкосимметричные плоские молекулы, которые упаковываются по типу "стопка монет", образуя длинные колонки. Взаимодействие между такими колонками приводит к возникновению ориентационного порядка характерного для жидких кристаллов.
Третий класс ЛЖК - неорганические [20, 21]. Они возникают в золях некоторых неорганических веществ. В качестве дисперсионной среды здесь используется вода или более сложные растворители. К настоящему времени в неорганических ЛЖК обнаружены нематическая, холестерическая и смектическая меофазы [20].
Четвертый класс ЛЖК - биологический. В этом случае ориентационно упорядочивающимися частицами являются анизометричные биологические объекты, такие как вирус табачной мозаика (TMV) или фрагменты цепи ДІЖ. В системе TMV - вода обнаружена нематическая фаза [22-24]. В системах ДНК - вода или полиэтиленгликоль (ПЭГ) обнаружена холестерическая фаза [25-28]. Это является проявлением на макроскопическом уровне хирального строения молекул ДНК.
Настоящая работа посвящена исследованию влияния электрического и магнитного поля на нематическую фазу термотропных и лиотропных ЖК. Поэтому, в следующих разделах мы ограничимся рассмотрением только нематической фазы. 2. Теория континуума одноосных нематических жидких кристаллов.
Принципиальное отличие нематических жидких кристаллов (НЖК) от изотропной жидкости заключается в существовании дальнего ориентационного порядка выделенных осей анизометричных частиц образующих жидкий кристалл. Направление преимущественной ориентации задается единичным вектором п - директором. Одноосные НЖК обладают точечной группой симметрии оо/тт. Она характеризует симметрию одночастичной функции распределения по ориентациям выделенных осей. Для группы симметрии оо/тт оба направления вдоль оси симметрии ( т.е. вдоль директора п ) эквивалентны. В связи с этим ориентационное упорядочение выделенных осей молекул естественно характеризовать не полем директора й, а полем параметра порядка Qy, являющегося анизотропной частью симметричного тензора второго ранга я;яу , где a орт выделенной молекулярной оси, скобки обозначают тепловое среднее [18].
Методика исследования флексоэлектрического эффекта
На основе приведенного обзора литературы можно сделать следующие выводы.
1. К моменту начала выполнения работы проведены достаточно полные исследования влияния электрического и магнитного полей на термотропные нематические жидкие кристаллы (НЖК). Эти исследования основывались на теории континуума НЖК. Однако в литературе отсутствовали работы, в которых бы экспериментально была изучена роль поверхности (энергии сцепления и поверхностной поляризации) на электрооптические свойства гомеотропных нематических слоев. Не были известны и способы управления поверхностными свойствами НЖК.
Решение последнего вопроса позволило бы управлять электрооптическими параметрами жидкокристаллических элементов, что имело бы большое практическое значение. 2. Экспериментальные исследования влияния электрического и магнитного полей на различные по химическому строению лиотропные НЖК практически отсутствовали. Не был экспериментально решен вопрос о возможности применения теории континуума, разработанной для термотропных НЖК к лиотропным НЖК. Практически отсутствовали экспериментальные данные, касающиеся макроскопических свойств (констант упругости и коэффициентов вязкости) лиотропных НЖК. Решение этих вопросов позволило бы существенно расширить наши современные представления о лиотропном мезоморфизме и дало бы экспериментальную базу для развития молекулярных представлений о природе физических свойств лиотропных НЖК.
В связи с этим, целью настоящей диссертационной работы является экспериментальное исследование влияния электрического и магнитного полей на термотропные и лиотропные НЖК, экспериментальное выяснение возможностей распространить теорию континуума на лиотропные НЖК, использование электрического и магнитного полей для измерения физических свойств литропных НЖК.
Из приведенного краткого обзора современного состояния вопроса о влиянии электрического поля на нематические жидкие кристаллы следует заключить, что на электрооптические характеристики жидкокристаллических элементов существенное влияние оказывают величины поверхностной поляризации/? и энергии сцепления W.
В соответствии с работами [93,111,123-132] величина Сможет быть определена на основании изучения распределения директора вдоль толщины слоя, оценки энергии и размера различных типов дефектов, таких как стенки и поверхностные дисклинации, толщинных зависимостей порогового напряжения Фредерикса. Полный обзор методов измерения W представлен в монографии А.А. Сонина [133]. Все эти методы приводят к оценке энергии сцепления гомеотропных нематических слоев, имеющей порядок 10-4-10-2 эрг/см . Оценка величины поверхностной поляризации была проведена в работе [134], использующей методику электроотражения в системе полупроводник - нематик, и имеет порядок 10"3 дин1/2.
Однако, в литературе отсутствовали работы, в которых бы последовательно, при одних и тех же экспериментальных условиях было изучено влияние поверхностной поляризации и энергии сцепления на параметры электрооптических элементов, содержащих гомеотропные слои нематиков. Не известны и способы управления этими характеристиками. Решение последнего вопроса позволило бы управлять электрооптическими параметрами элементов, что имело бы большое практическое значение. Кроме того, до последнего времени оставался не исследованным вопрос о влиянии сильных электрических полей на гомеотропные нематические слои.
В связи с этим целью настоящей главы явилось изучение влияния сильных электрических полей и состояния поверхности (энергии сцепления и поверхностной поляризации) на электрооптические характеристики гомеотропных слоев нематиков.
Экспериментальная установка для измерения констант упругости и коэффициентов вязкости
Особенностью этой фазовой диаграммы является наличие двухфазных областей на границах нематической фазы с гексагональной и изотропной. Этот факт является причиной дополнительных особенностей в поведении вязко - упругих свойств нематической фазы. Например, в нашей работе [168] показано, что на границах нематической фазы вязко - упругие коэффициенты и параметр порядка не обращаются в ноль.
Исследованный участок фазовой диаграммы, показывающий расположение этих мезофаз, представлен на рис. Ш.9. Из этого рисунка видно, что нематическая фаза занимает узкий участок фазовой диаграммы, ограниченный при температуре 19 С концентрациями DSI 4.2 - 8 мас.%. При концентрации DSI 7.3 мас.% нематическая фаза переходит в гексагональную при температуре ниже 15 С, а при нагревании свыше 50 С переходит в изотропную фазу. Эти факты приведены в связи с тем, что нами экспериментально исследовалась представленная выше область фазовой диаграммы.
Рентгеновские и нейтронографические исследования показали, что нематическая фаза системы DSI - НгО является каламитиком хромонического типа. Плоские молекулы DSI упаковываются по типу "стопка монет" и образуют колонки размером 102 - 103 А. В изотропной фазе эти колонки ориентационно не упорядочены; в нематической фазе возникает дальний ориентационный порядок длинных осей колонок; в гексагональной фазе колонки упаковываются по гексагональному (или ромбическому) закону, и возникает частичный трансляционный порядок.
Как показали структурные исследования, (выполненные по нашей просьбе Н.В. Усольцевой с сотрудниками) молекулы DSI в колонках сдвинуты относительно друг друга для достижения плотной упаковки. Модель упаковки молекул в колонках, в двух проекциях, представлена на рис. ШЛО. Взаимодействие между молекулами в колонках осуществляется за счет водородных связей, возникающих между молекулами воды и сульфогруппами DSI. DSI был синтезирован и очищен в лаборатории водорастворимых красителей ГНЦ РФ "Научно - исследовательский институт органических полупродуктов и красителей" и любезно предоставлен нам Хан Ир Гвоном.
Образцы для исследований готовились перемешиванием с помощью магнитной мешалки взвешенных количеств исходных компонент. Для приготовления растворов использовалась бидистиллированная вода. Дистилляция осуществлялась с помощью дистиллятора ДЭ - 4-2.
Исследуемые образцы представляли плоскопараллельные стеклянные капилляры размером 11x13 мм, которые после заполнения нематиком герметизировались пицеином для предотвращения испарения воды и изменения концентрации раствора. В качестве прокладок между стеклами ячейки использовалась фторопластовая пленка различной толщины. Толщина собранной пустой ячейки измерялась по интерференционной методике [169].
Для получения хорошей планарной ориентации стекла капилляров подвергались специальной обработке: очищенные в хромпике и промытые в дистиллированной воде они высушивались в сушильном шкафу при температуре 150 С; после просушки стекла покрывались ПАК - лаком на вращающемся барабане; далее они подвергались термической обработке при температуре 160 С в течение 10 мин - для удаления растворителя и при 250 С в течение 10 мин - для полимеризации ПАК - лака; затем стекла натирали на натирочной машине искусственным мехом в течение 30 - 60 с.
После заправки и герметизации ячейки нематиком однородная планарная ориентация в образцах толщиной до 50 мкм возникала через 1 час. Качество ориентации контролировалось с помощью поляризационного микроскопа ПОЛАМ Р - 113. Ориентация считалась удовлетворительной, если при вращении образца на приборном столике микроскопа в скрещенных поляроидах поле зрения затемнялось и просветлялось однородно. При этом в отсутствии анализатора максимальное поглощение наблюдалось, когда плоскость поляризации падающего на образец света была перпендикулярна направлению натирки стекол. Это свидетельствовало о том, что длинные оси колонок ориентированы по направлению натирания. Данный вывод следует из того, что молекулы DSI являются дихроичными с поглощающим осциллятором лежащим в плоскости молекулы.
Используя в качестве ориентанта ацетилцеллюлозу, нам впервые удалось получить гомеотропную ориентацию колоночного нематика. Для этого ацетилцеллюлоза растворялась в ацетоне и стекла капилляров медленно вытягивались из приготовленного раствора. Далее стекла помещались в сушильный шкаф, где при температуре 160 С выдерживались в течение 10 мин для испарения ацетона. После заправки ячейки нематиком и ее герметизации гомеотропная ориентация директора наступала в течение 2 -4 часов для образцов толщиной до 10 мкм.
Качество гомеотропной ориентации контролировалось с помощью поляризационного микроскопа ПОЛАМ Р-113. Поле зрения при вращении образца, помещенного на столик микроскопа между скрещенными поляроидами, не просветлялось.
В связи с тем, что исследуемая система DSI - Н20 обладает большим поглощением, процесс переориентации нематика в магнитном поле не может быть изучен традиционным для не поглощающих систем способом - по изменению оптической разности фаз света, прошедшего образец. Поэтому в основу методики измерения констант упругости и коэффициентов вязкости был положен эффект изменения поглощения плоско поляризованного света образцом, находящимся в магнитном поле. Для осуществления этого подхода нами была собрана установка, блок схема которой представлена на рис. 111.11.
Магнито - гидродинамические домены 2- го рода в лиотропных нематических жидких кристаллах
Кроме периодических структур, возникающих в процессе переориентации директора под действием границ, которые были обнаружены нами и описаны в 1 настоящей главы, в лиотропных нематических жидких кристаллах наблюдаются магнито - гидродинамические домены. Они были впервые обнаружены в работе [189] и наблюдаются в процессе перехода жидкого кристалла из одного равновесного состояния в другое при быстром включении магнитного поля. Возникновение магнито - гидродинамических доменов является пороговым эффектом, т.е. они появляются при величинах магнитного поля превышающих некоторое критическое значение.
Необходимо различать магнито - гидродинамические домены первого и второго рода. Домены первого рода возникают в геометрии эксперимента, соответствующей S или В переходу Фредерикса. Для них характерно то, что при напряженности магнитного поля ниже критического значения, волновой вектор доменной структуры равен нулю. При критическом значении поля волновой вектор изменяется скачком и при дальнейшем увеличении поля монотонно возрастает. Аналогичная ситуация встречается в фазовых переходах первого рода, когда параметр порядка в точке перехода изменяется скачком. Домены первого рода были подробно описаны теоретически и исследованы экспериментально в целом ряде работ [42,188-190,193,194].
Этого нельзя сказать о доменах второго рода. Они возникают в геометрии эксперимента, соответствующей Т переходу Фредерикса. Для них характерно то, что при критическом значении магнитного поля волновой вектор изменяется непрерывно. Аналогичная ситуация встречается в фазовых переходах второго рода, когда параметр порядка в точке перехода изменяется непрерывно. В работах [190,195,196] были начаты исследования магнито -гидродинамических доменов второго рода. Было предложено их теоретическое описание при условии бесконечно сильной энергии сцепления директора с границей и проведены экспериментальные исследования в нематической фазе системы вирус табачной мозаики (TMV) - вода. В наших работах [173,174,197] мы продолжили эти исследования. Решена задача о доменах второго рода при учете энергии взаимодействия директора с границами. Впервые экспериментально обнаружены и исследованы эти домены в хромоническом нематике системы дисульфоиндантрон (DSI) -вода. Проведено сопоставление теории и эксперимента. В результате получены данные о феноменологических константах, характеризующих исследованную систему.
В настоящем параграфе представлена постановка и решение задачи о магнито - гидродинамических доменах второго рода при учете энергии взаимодействия директора с границей [197].
Рассмотрим планарно ориентированный слой нематика с отрицательной анизотропией диамагнитной восприимчивости %а. Ось X декартовой системы координат ориентирована по направлению Я0 невозмущенной ориентации директора, ось Z перпендикулярна плоскости слоя, начало координат выбрано в центре слоя толщиной d (pHc.IV.4). Магнитное поле Н прикладывается вдоль невозмущенной ориентации директора Я0. Эта ситуация соответствует нашей геометрии эксперимента, который представлен в 3 настоящей главы. Эксперименты показали, что при быстром включении магнитного поля возникают периодические структуры с волновым вектором направленным вдоль оси X., т.е. совпадающим с невозмущенной ориентацией директора. Далее, с течением времени эти структуры изменяются и в итоге возникает однородный в плоскости ячейки закрученный слой нематика. На основе этого можно сделать вывод, что наблюдаемые нами домены являются динамическими. Для их теоретического описания необходимо использовать уравнения движения директора и жидкого кристалла.
Так как %а О, то начиная с порогового поля Фредерикса Нс = — {К2 l\Xa\)XI2 в планарном слое нематика будет возникать деформация d кручения. Директор отклоняется от первоначальной ориентации в плоскости XOY на угол (р. Для того чтобы учесть возможность образования периодических структур вдоль оси X, как на то указывает эксперимент, рассмотрим функцию р зависящую не только от z, но и от х. Кроме того, учтем возможность возникновения потоков жидкого кристалла в плоскости слоя, которые могут возникнуть в процессе переориентации директора.
