Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Интенсивное экспериментальное и теоретическое исследование жидких кристаллов (ЖК) обусловлено сочетанием свойств, характерных как для классических жидкостей, так и для кристаллических тел. Изучение равновесных и неравновесных свойств ЖК в области полиморфных превращений позволяет получать информации о характере межмолекулярного взаимодействия, видах теплового движения молекул и молекулярных комплексов, служит основой адекватности теоретических представлений, развиваемых для- данного класса конденсированных сред. В этой связи повышенный интерес представляет изучение релаксационных свойств нематических (НЖК) и смектических (СЖК) жидких кристаллов, наиболее ярко представляющих специфику анизотропно-жидкого состояния вещества.
Неравновесные свойства, обусловленные наличием релаксационных процессов в области фазовых переходов (смектический А жидкий кристалл - нематический жидкий кристалл - изотропния жидкость), позволяют оценить степень влияния флуктуациошшх явлений на физико-химические свойства ЖК. В прикладном плане изучение релаксационного спектра определяет конкретный диапазон частотно - временных, вязко. - упругих и энергетических характеристик практического применения.
Одной из наиболее.интересных особенностей ЖК является их высокая чувствительность к изменению Р, V, Т - параметров состояния и воздействию внешних электрических и магнитных полей, связанная с анизотропией поляризуемости, диэлектрической и диамагнитной' восприимчивости, как следствие, своеобразием мекмолекулярного взаимодействия, определяемого дисперсионным и отталкивательным потенциалами. В этом- плане наиболее ценной является информация о реакции ЖК на воздействие внешних полей, получаемая при изменяющихся температуре и давлении,' поскольку такого рода исследования оценивают влияние термодинамических параметров состояния на кинетические свойства ЖК. В более упорядоченных смектических ЖК временные процессы, характеризующие ориентационные и трансляционные движения, являются более медленными по сравнению с нематическими ЖК. Поэтому при изучении СЖК следует учитывать, что релаксационная природа, а следовательно, и неравновесный характер физических свойств, как
в самой мезофазе, так и в области фазовых переходов, будет проявляться на более низких частотах, чем в НЖК. С этой точки зрения вкустические методы исследования представляются особенно перспективными при изучении кинетических ' свойств СЖК. Следует отметить, что акустические методы обладают также той особенностью, что с их помощью можно изучать объемные свойства мезофаз, подверженных незначительному влиянию ограничивающих поверхностей, в то время как рядом других методов исследуются фактически пленочные образцы, линейные размеры которых соизмеримы с магнитной длиной когерентности. Привлекательным свойством акустического метода является способность к широкому варьированию параметром ит (где ы - частота ультразвука, т
л га
время релаксации m-го процесса), что открывает возможность проведения анализа в рамках теоретических представлений, справедливых для конкретной величины ыт , ' т.е. в области спектральных характеристик высокочастотных молекулярных процессов.
Экспериментальные результаты акустических исследований имеют прикладное значение, связанное с получением информации о вязкоупругих свойствах мезофаз, которые необходимы, при разработке технических устройств на основе НЖК и СЖК. Исследование вязкоупругих констант и их релаксационных спектров позволяет оценить границы применения СЖК, а изучение анизотропии вязкоупругих свойств, которая, как правило, на один- два порядка больше, чем в НИ, открывает возможность'в определенной степени варьировать выходными характеристиками устройства'.
Таким '>бразом. экспериментальное изучение анизотропных акустических свойств жидких кристаллов при изменяющихся термодинамических параметрах состояния может . стимулировать развитие фундаментальных теорий и прикладных исследований данного класса конденсированных сред.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Изучение влияния Р,Т-термодинамических параметров состояния на динамику молекулярных процессов в НЖК, включая области фазовых переходов НЖК - СЖК А и НЖК - Ш акустическим методом. Решение этой задачи включает: - совершенствование методики и .экспериментальной установки для изучения релаксационных свойств ЖК при изменяющихся давлении и
температуре:
исследование влияния давления на абсолютные значения и анизотропию акустических параметров ЖК;
изучение.ориентационной релаксации НЖК в области фазового перехода нематический - смектический А жидкий кристалл при изменяющихся Р, Т - термодинамических параметрах состояния;
изучение влияния давления на временную зависимость анизотропии коэффициента поглощения ультразвука во вращающемся магнитном поле;
теоретический анализ экспериментальных данных на основе континуальных и молекулярно-статистических теорий жидкокристаллического состояния вещества.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Усовершенствована методика эксперимента для изучения абсолютных значений и анизотропии" акустических параметров в статических и переменных магнитных.полях при изменяющихся Р, Т - термодинамических параметрах состоянии. Акустическим методом исследовано влияние температуры и давления на время "структурной" релаксации-, на время релаксации параметра ориентационной упорядоченности, на объемные и сдвиговые вязкости . четвертого гомолога ряда п-н-алкоксиСензилиден-п-бутиланилинов (БББА), а также на динамику поведения данного, НЖК во вращающемся магнитном поле.
Впервые исследовано акустическим методом на частоте ультразвука Ь.4 МГц влияние давления в интервале до 12-Ю7 Па на температуры фазовых переходов НЖК - СЖК А и НЖК - ИЖ, на время ориентационной релаксации в статическом и вращающемся магнитном поле.
Впервые обнаружено:
линейное уменьшение скачка энтропии при фазовом переходе НЖК -СЖК А с ростом давления;
увеличение времени "структурной" релаксации * с повышением давления;
уменьшение с ростом давления времени релаксации параметра ориентационной упорядоченности;
удовлетворительное согласие значений у /Дх, рассчитанных из акустических измерений на частоте ультразвука 3 МГц и 6.4 МГц;
существенное влияние давления на коэффициент вращательной
вязкости, особенно в области фазового перехода НЖК - СЖК А. Выполненный анализ . аномального, возрастания коэффициента вращательной вязкости в окрестности фазового перехода НЖК-СЖК ч А показал соответствие полученных экспериментальных результатов выводам геории среднего поля.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Усовершенствована экспериментальная установка для проведения измерений абсолютных значений и анизотропии скорости распространения и коэффициента поглощения ультразвука в жидких кристаллах в заданном интервале температур и давлений. Результаты экспериментальных исследований позволяют выполнить анализ и осуществить проверку ряда положений гидродинамических и молекулярно-статистических теорий. Полученный количественный и качественный материал является ' основой рекомендаций практического использования ЖК в качестве рабочих тел.
результаты разработок экспериментального изучения динамики ориентационных процессов в НЖК при изменяющихся термодинамических параметрах состояния;
экспериментальные результаты, полученные в нематической фазе ЖК, включая области фазовых переходов НЖК-СЖК А и НЖК-ИЖ;
результаты анализа экспериментальных данных, выполненного в рамках гидродинамических . и молекулярно-статистических теорий жидкокристаллического состояния вещества.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научной конференции преподавателей и аспирантов МПУ. г. Москва, 1993, 1994, 1995: Международном симпозиуме "Ферро-, пьезоэлектрические материалы и их применение", г. Москва, 1994г. Первой всероссийской научно-технической конференции "Состояние и проблемы технических измерений", г. Москва, 1994г.
ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация содержит 160 страниц машинописного текста, 29 таблиц, 97 рисунков, библиографию из 110 наименований. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложения, включающего 13 таблиц.