Введение к работе
Актуальность темы работы. Исследованию физических и химических свойств жидких кристаллов (ЖК) уделяется большое внимание, обусловленное необходимостью развития общих представлений о природе жидкокристаллического состояния, а также широким практическим применением жидкокристаллических материалов.
В основе технического использования жидкокристаллических
материалов лежит их взаимодействие с электрическими полями различной
частоты вплоть до оптических. Поэтому диэлектрические свойства
жидких кристаллов (или мезогенов) такие как диэлектрическая и
оптическая анизотропии определяют возможности их практического
применения. В связи с этим важной проблемой является экспериментальное определение диэлектрической анизотропии и изучение молекулярных механизмов диэлектрической поляризации жидких кристаллов. Эффективным методом исследования молекулярных механизмов диэлектрической поляризации жидких кристаллов является диэлектрическая спектроскопия, позволяющая экспериментально выделять дипояьно-ориентационные процессы, связанные с разными молекулярными механизмами.
Большое научное значение имеют исследования новых мезогенов с разнообразной молекулярной структурой, синтезируемых с целью улучшения их эксплуатационных характеристик. Молекулы мезогенов содержат насыщенные и ненасыщенные циклы, алкильные цепочки и полярные группы в качестве концевых и центральных фрагментов. Количество циклов в молекуле, длины алкильных цепочек, их положение в молекуле определяют температуры фазовых переходов, типы мезофаз и другие физические свойства жидкокристаллических соединений. Включение сильно полярных групп в различные части молекул мезогенов существенно меняет дипольную структуру молекулы и, следовательно, макроскопическую диэлектрическую анизотропию, которая является одной из важнейших характеристик жидких кристаллов.
Установление количественной связи между молекулярными характеристиками и макроскопическими диэлектрическими свойствами вещества является важной проблемой физики конденсированных сред и, в частности, физики жидких кристаллов. Ее решение имеет большое научное и практическое значение. В прикладном плане оно открывает широкие возможности в области создания новых жидкокристаллических соединений с заданными техническими параметрами.
Цель работы. Основной задачей работы являлось экспериментальное установление молекулярных механизмов диэлектрической поляризации термотропных нематических и смектических жидких кристаллов и жидкокристаллических полимеров. Комплексное исследование макроскопических и молекулярных свойств мезогенов на базе методов
молекулярной электрооптики, оптики и диэлектрической спектроскопии.
Установление количественной связи между молекулярными
характеристиками и макроскопическими диэлектрическими свойствами жидких кристаллов.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Методом диэлектрической спектроскопии с использованием широкого круга новых жидких кристаллов с разнообразной дипольной структурой молекул экспериментально установлены молекулярные механизмы диэлектрической поляризации термотропных жидких кристаллов. Показано, что те же механизмы ответственны за диэлектрическую поляризацию смектических жидких кристаллов.
Впервые исследованы диэлектрические свойства термотропного
мезогена, обладающего нематической, смектической и возвратной
нематической фазами. Исследованы молекулярные механизмы
диэлектрической поляризации в этих мезофазах.
Впервые количественно исследованы диэлектрические свойства жидкокристаллического гребнеобразного полимера. Установлены молекулярные механизмы его диэлектрической поляризации.
Впервые исследована диэлектрическая релаксация в жидких кристаллах, молекулы которых содержат алкильные цепочки различной длины, отделяющие сильно полярную нитрильную группу от мезогенного ядра молекулы. Установлено, что при увеличении длины алкильной цепочки существенно изменяется дипольная структура молекул, что приводит к изменению величины и знака диэлектрической анизотропии жидких кристаллов.
Впервые показано, что включение алкильных цепочек в мезогенное ядро молекул практически не влияет на дипольную структуру молекул, но заметно изменяет частотную область дисперсии главных значений диэлектрических проницаемостей жидкого кристалла.
Впервые изучено влияние сильных межмолекулярных взаимодействий на равновесную поляризацию и релаксационные явления в термотропных жидких кристаллах. Установлена роль этих взаимодействий в формировании равновесных диэлектрических свойств и релаксационных процессов, реализуемых в мезофазе.
Практическая значимость. Полученные в работе экспериментальные результаты использовались при направленном синтезе новых жидких кристаллов с комплексом необходимых физических и эксплуатационных свойств для технического применения (ВГУ, НИИОПиК). Результаты работы использовались при разработке и создании электрооптических устройств на основе жидких кристаллов для фотоаппаратуры (Г'ОИ им. СИ.Вавилова). Результаты работы могут использоваться для составления
таблиц стандартных справочных данных по оптическим и диэлектрическим свойствам мезоморфных веществ. Основные положения, выносимые на защиту:
1. Результаты исследования методом диэлектрической спектроскопии
молекулярных механизмов диэлектрической поляризации термотропных
нематических и смектических жидких кристаллов с различной дипольной
структурой молекул, показывающие, что дипольный вклад в параллельную
составляющую диэлектрической проницаемости обусловлен вращением
молекул вокруг коротких и длинных молекулярных осей. Дипольный
вклад в перпендикулярную составляющую диэлектрической
проницаемости связан с вращением молекул вокруг длинных
молекулярных осей, а также с вращением длинной оси молекулы вокруг
направления преимущественной ориентации жидкого кристалла по конусу
в пределах угла, задаваемого ориентационным порядком в жидком
кристалле.
2. Результаты комплексного исследования макроскопических
диэлектрических свойств и молекулярных характеристик мезогенов с
варьируемой дипольной структурой молекул, устанавливающие связь
величины и направления молекулярного дипольного момента с
абсолютным значением и знаком диэлектрической анизотропии жидких
кристаллов, что позволяет проводить целенаправленный синтез новых
жидкокристаллических соединений с заданными свойствами.
-
Методы определения главных диэлектрических проницаемостей и показателей преломления термотропных жидких кристаллов и жидкокристаллических полимеров при различных частотах электрического поля и разных длинах световых волн.
-
Анализ макроскопических диэлектрических свойств и молекулярных параметров жидких кристаллов с алкильными цепочками, расположенными в различных частях молекул, показывающий влияние длины цепочки и ее расположения в молекуле на дипольную структуру, величину диэлектрической анизотропии и релаксационные характеристики мезогенов.
-
Влияние образования молекулярных ассоциатов в изотропно-жидком состоянии и в жидкокристаллической фазе на величину и знак макроскопической диэлектрической анизотропии жидких кристаллов.
-
Роль диполь-дипольного взаимодействия в низкочастотной дисперсии параллельной составляющей диэлектрической проницаемости жидкокристаллических сс-цианстильлбенов.
7. Метод анализа релаксационных свойств мезогенов, образующих
жидкокристаллическое состояние в существенно различных
температурных интервалах, основанный на экспериментальном
исследовании дисперсии диэлектрических проницаемостей растворов изучаемых мезогенов в неполярном жидкокристаллическом растворителе.
Апробация работы. Материалы диссертации в качестве устных и стендовых сообщений докладывались на: IV, V, VIII Международных конференциях социалистических стран по жидким кристаллам (Тбилиси, 1981 г., Одесса, 1983 г., Краков, 1989 г.); III Всесоюзной конференции "Электрические свойства молекул" (Казань, 1982 г.); V и VI Всесоюзных конференциях "Жидкие кристаллы и их практическое использование" (Иваново, 1985 г., Чернигов, 1988 г.); Summer European Liquid Crystal Conference (Vilnius, Lithuania.1991); 15th, 16th, 17* International Liquid Crystal Conference (Budapest, Hungary, 1994, Kent, USA, 1996, Strasbourg, France, 1998).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 38 статей и 14 тезисов докладов на конференциях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов и списка цитируемой литературы (139 наименований). Полный объем работы составляет 164 страницы, включая 58 рисунков и 20 таблиц.