Введение к работе
Актуальность исследования
Многообразный полиморфизм лиотропкых жидких кристаллов (ЛЖК) открывает сирокие перспективы создания упорядоченных молекулярных ансамблей для элементов молекулярной электроники, т.к. позволяет использовать особенность молекул верства этих материалов самоор-ганизовызаться s агрегаты с четко выраженной структурой не только молекулярного, но надмолекулярного и даже макроскопического масштабов. Такие агрегаты могут быть получены в процессе кристаллизации немезогенного тзердокристаллического (ТК) компонента из лиот-ропного водного раствора мезогека, сопрово.тдаздейся фазовым разделением компонентов раствора. Топология и месторасположение границы раздела фаз' не могут быть определены заранее. Расчет динамики движения такой границы относится к задачам, описыващим нелинейные диссипативные эффекты самоорганизации в физических системах (задача Стефана). Клячезым вопросом является изучение ориен-тационкого упорядочения образующихся жидкокристаллических фаз.
Относительно большая концентрация (десятки процентов) мезо-генного компонента в системе приводит к взаимодейстзий молекул мезогена друг с другом, анизотропии свойств (диффузионных, механических и др.), что выделяет эту проблему из известного ряда задач по кристаллизации в присутствии примеси. Анализ данных отечественных и зарубежных исследователей показал, что приоритетной задачей является изучение взаимного влияния компонентов системы в процессе морфогенеза немезогенного ТК и индуцированных им структурных перестроек в раство"ре лиотрошюго яидкого кристалла (ЛЖК). Сложность экспериментального изучения многокомпонентных лиотроп-ных систем делает целесообразным использование численных модель-пых расчетов с дальнейшим физическим годтверддением их результатов.
4 Кастсяцая диссертационная работа выполнена в рамках:
научно-исследовательской программы Российской академии наук "Биофизика и физические технологии" (1992 - 1993 г.);
госбюджетной темы "Разработка средств распознавания визуализированной информации с цельо ранней, надмолекулярной диагностики кардиозабслевамий" Российской программы "Автоматизированные систекы медико-бкологяческого назначения" (1931 - 1995г.).
Дель работы: численные и экспериментальные исследования взаимного влияния компонентов системы "вода-немезогенний твердый кристалл-лиотропный жидкий кристалл" на процессы роста немезоген-ного кристалла и образования SK фаз, протекающих в условиях фазового разделения компонентов раствора.
Для достижения цели настоящего исследования необходимо решить следуюЕдае задачи:
создать экспериментальный комплекс для оптико-морфологических исследований роста кристаллов ^
разработать методы количественного морфологического анализа ІК текстур, ,
аттестовать чистоту препарата Ж и взаимодействие его молекул с молекулами других компонентов системы
провести расчет форм роста кристалла в лиотрогаюй среде и получить набор основных корфотипов
провести исследование морфокикзтики роста немезогенного кристалла в лиотропной среде н определить роль структурного фазового перехода ("ИХ - даК") в морфогенезе отого кристалла
исследовать образование ХК текстур в условиях ориентируюсь го влияния немезогенного кристалла.
Научная новизна ' '
1. Создан экспериментальный комплекс для оптико-морфологичес кого исследования кристаллизационных текстур, который позволяет:
проводить ызрфэкинетические исследования роста кристалла
рассчитать из экспериментальных данных оптическую униполяр-юсть НК текстуры и измірить ее морфологические параметры
проводить компьютерный эксперимент по изучению форма роста ісезогенного .'кристалла з лиотропной среде.
-
Ка основании проведенного численного и физического экспе-гкиектольного исследования морфокинетики роста немезогекного :ристглла в лиотропной среде показана обусловленность смены форді роста кристалла струїтгурним фазовим переходом в растворе .'"изотропная жидкость - ЛЗСГ).
-
Do результатам численного эксперимента установлено, что частичная локализация (осаждение) лиотропного компонента на поверхности немеэогенного кристалла бнє зоны его роста не приводит к формированию новых типов кристаллических структур.
-
Ередлохэка методика расчета кз оксперкуенталъньЕ данных параметра оптической уижюлярности ЕК, количественно описывагаззго ориектациснное упорядочение оптических осей структурных элементов ЛЕ<-текстуры.
-
Кз основе ксследсвгіний оптической униполярности Ж сдела-на количественная сцек::а ориентирующего влияния ТК на' текстуру .IS; предложена схема расположения ламеллярных ыулътнелоев на границе раздела "ТК - ЛЕК", объясняющая влияние немезогекного кристалла как ориентирующей подло/ки.
-
Оэнаружено влияние структурированности водного компонента (соотношения т.н. "свободной", "захваченной", связанной", "сильно связанной" воды) в лиотропной лзідком кристалле на внутримолекулярные связи ыолекул яідксго кркотпллз, пропидяюсосоя d рооозпло-нки ьаксимумзв полос поглодения колебательна спектров (валентные колебания) сункционольных групп полярной головки молекулы.
[Ьактігаеская ценность работы
Установленные закономерности морфогенеза неыеэогенного крис-
талла в мезогенной среде могут быть использованы для получение агрегатов заранее заданной (рассчитанной в рамках модели) формы.
Предложенная методика расчета ив экспериментальных даннш _ оптической укиполврности ZR расширяет ВО8М0ХН0СТИ описания ориен-тационного упорядочения лиотрошшх жидких кристаллов применительно к неоднородным поликристадлическим образцам. Она может использоваться для контроля оптических свойств анизотропных материалов инженерно-технического применения.
Разработанный способ поляризационного анализа служит основой для развития методов количественного морфоанализа текстур жидких кристаллов (положительное реоение патентной экспертизы от 81.05.03 по заявке N 82-006657/14 (052279)).
Созданный экспериментальный комплекс используется в работе диагностических лабораторий ряда клиник г. Екатеринбурга.
На 8ащиту выносятся следуйте основные положения;
1. Результаты численного модельного эксперимента влияния на
форму роста немевогенного кристалла в лнотропной среде:
начальной концентрации лиотросвого компонента
структурного фазового перехода в мезогенной среде.
2. Результаты экспериментального исследования _ морфокинетики
роста немззогешюго кристалла в лиотропной среде.
а Вывод о смене формы роста немезогенного кристалла вследствие структурного фазового перехода "изотропная жидкость -диотропный жидкий кристалл" в растворе и его экспериментальное подтверждение.
4. Вывод о влиянии структурированности водного компонента ЛЕК на внутримолекулярные связи молекул ЛЕК.
Б. Мгтодкка расчета из экспериментальных данных оптической ушшолярности ЖК, ее эначениа для текстур ЛЕК, образовавшихся в присутствии ТК; проведенная на основании данных по оптической
7 унжюлярности оценка ориентируспего влияния ТК на текстуру Ж
Апробация работы. Результаты исследований были представлены и обсуждены на семинаре "Ленгмюровские пленки и ансамбли емфи-фильнък молекул" института кристаллографии ' Академии наук РФ (іЬскаа, 1903), Летней конференции европейских стран по жидким кристаллам (Вильнюс, 1G91), XIV Международной конференции по жидким кристаллам (Пиза, Италия, 1992), II Цэядународной конференции по лиотропным жидким кристаллам (Иваново, 1993), VIII симпозиуме по мелюлекулярному взаимодействии (Новосибирск, 1990), I Всесоюзном совещании по лиотропным жидким кристаллам (Иваново, 1990), XI семинаре по межмолекулярному взаимодействии (Пупино, 1993) , IX юбилейной научно-практической конференции Уральского политехнического института им. СМ.Кирова (Свердловск, 1990), I научно-технической конференции физико-технического факультета УГ-ГУ-УПИ (г. Екатеринбург, 1994).
Структура и объем работы, Диссертация содержит введение, четыре главы, заключение, список использованных источников и два приложения. Объем работы - 144 с., в том числе 64 рисунка, две таблицы, библиографический список состоит иэ 85 названии.