Введение к работе
Актуальность темы. История открытия жидких кристаллов начинается с чешского химика Ф. Рейнитцера и немецкого физика О. Лемана в 1888 году, а основы физики жидких кристаллов были заложены только в 20-х годах нашего столетия. В настоящее время это бурно развивающийся раздел физики конденсированных сред. Мировое производство ЖК-индикаторов и дисплеев исчисляется миллиардами и, по прогнозам, будет увеличиваться и дальше. Уже сейчас без преувеличения можно сказать, что прогресс и развитие ряда отраслей науки и техники немыслимы без развития исследований в области жидких кристаллов. Не меньший интерес представляют собой жидкие кристаллы с точки зрения биологии и процессов жизнедеятельности. Функционирование клеточных мембран и ДНК, передача нервных импульсов, работа мышц, формирование атеросклеротических бляшек - вот далеко не полный перечень процессов, протекающих в жидкокристаллической фазе, с присущими этой фазе особенностями - склонностью к самоорганизации при сохранении высокой молекулярной подвижности.
Представление о структурных особенностях жидких кристаллов в основном получены из исследований при помощи поляризационного микроскопа и до последнего времени это устраивало ученых, занимающихся жидкими кристаллами, но стали возникать вопросы, связанные со структурными особенностями жидких кристаллов, и изучение которых требуется на более глубоком уровне, то есть на уровне наноразмеров. Работы по этому направлению ведутся во многих странах, например в США, в Японии, Германии, в Польше, Франции. А на уровне наноразмеров исследовать структурные особенности позволяет сканирующая зондовая микроскопия.
В последние годы методы сканирующей зондовой микроскопии позволили достичь уникальных научных результатов в различных областях физики, химии и биологии. Новые экспериментальные возможности данного направления: неразрушающий характер исследований, высокое пространственное разрешение и возможность проведения экспериментов в жидких средах — делают особенно перспективным применение СЗМ (в частности, атомно-силовой микроскопии) для изучения структуры и свойств жидких кристаллов. В то же время СЗМ-исследование этих объектов остается более сложной задачей в сравнении с аналогичными исследованиями поверхностей твердых (кристаллических) тел. Действительно, прошло более десяти лет с момента возникновения зондовой микроскопии (в 1981 г.), прежде чем в 1992 г была убедительно продемонстрирована адекватность этого метода для исследований биополимеров на примере АСМ-визуализации молекулы ДНК. Для исследований жидких кристаллов АСМ-метод начал применяться с 1994-96 годов.
За эти годы возникло понимание, что определяющей задачей успешности подобных исследований, требующих экспериментального решения в каждом конкретном случае, является получение наномолекулярных слоев на поверхностях твердых подложек в таком состоянии, чтобы было возможным исследовать их структурные особенности.
Целью работы являлась разработка новых методов исследования и исследование жидких кристаллов с использованием атомно-силового микроскопа, и, в частности, структурных особенностей наномолекулярных слоев нематических жидких кристаллов.
Научная новизна:
- Впервые методом АСМ изучены термодинамические свойства поверхности тонких пленок жидких кристаллов;
- Предложен метод формирования тонких пленок при постоянном давлении, создаваемом потоком воздуха. Где очень важное значение, имеет давление, при котором происходит переход к устойчивому состоянию тонких пленок жидких кристаллов;
- Впервые применен метод атомно-силовой микроскопии к исследованию наномолекулярных слоев НЖК, а для их получения использован метод «сдувания» сжатым воздухом капли НЖК, нанесенной на свежесколотую поверхность слюды;
- Обработка и анализ АСМ-изображений с помощью вейвлет-анализа, показал, что при определенном давлении происходит самоорганизация гомеотропно ориентированного слоя НЖК, и формируется слой, в которой первым монослоем является двумерный смектический жидкий кристалл, далее идет переходная область, где реализуется фазовый переход СЖКНЖК, а выше формируется НЖК.
- Обнаружено образование нанокластеров с различной симметрией в наномолекулярных слоях жидких кристаллов.
.
Достоверность результатов обеспечена использованием апробированных методов исследований, соответствием экспериментального оборудования целям и задачам исследований и апробированием математических методов обработки АСМ-изображений.
Научная и практическая значимость. Полученные в ходе работы результаты представляют интерес для специалистов, работающих в области исследования жидких кристаллов. А также:
1.Обоснована разработка новых теоретических и экспериментальных подходов к анализу гомеотропной ориентации жидких кристаллов, которые реализуются в индикаторах приборов и ЖК-дисплеях.
2.Обосновано, что в наномолекулярных слоях ЖК возможна реализация различных нанокластеров, которые определяют структуру и свойства макромодулярных слоев.
