Акустические исследования нематических жидких кристаллов, ориентированных совместным действием электрического и магнитного полей тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

РГ6

1 к с

Министерство общего и профессионального образования РФ

Московская государственная академия приборостроения и информатики

на правах рукописи УДК 532.783

Неронов Николай Александрович

Акустические исследования нематических жидких кристаллов, ориентированных совместным действием электрического и магнитного полей.

01.04.14 - Теплофизика и молекулярная физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2000

Работа выполнена на кафедре «Биомедицинские приборы и технологии» и в проблемной лаборатории молекулярной акустики Московской государственной академии приборостроения и информатики

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Пасечник С.В.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Вистийь'Л. К. кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Каишцин А.С.

Ведущая организация ЦНИИ «КОМЕТА»

Защита состоится "16" июня 2000 г. в 15 часов на заседании специализированного совета К 063.93.02 по присуждению ученой степени кандидата физико-математических наук при Московской государственной академии приборостроения и информатики по адресу: 107046, Москва, ул. Стромынка, д. 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГАПЙ

Автореферат разослан "¿5." мая 2000 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат физико-математических наук^у" '

старший научный сотрудник (Ю^^Ь Баландин В.А.

Актуальность проблемы. Широкое применение жидких кристаллов (ЖК) в современных устройствах отображения информации и для визуализации физических полей различной природы вызывает повышенный интерес к экспериментальным и теоретическим исследованиям поведения жидких кристаллов в переменных внешних полях. В основе функционирования большинства указанных устройств лежат процессы ориентационной релаксации, связанные с совместным вращением молекул относительно их коротких осей. Одним из эффективных методов исследования данных процессов является акустический метод, позволяющий изучать образцы относительно больших линейных размеров, для которых можно пренебречь влиянием граничных эффектов на ориентацию директора жидкого кристалла. Регистрируемое в акустических экспериментах, анизотропное поглощение ультразвука, содержит информацию не только о быстрых внутримолекулярных и критических релаксационных процессах, но и о процессах медленной ориентационной релаксации. Это подтверждается детальными экспериментальными и теоретическими исследованиями нематиче-ских и смектических С'жидких кристаллов во вращающихся магнитных полях. Вто же время проведенные исследования жидких кристаллов в пульсирующих магнитных полях не поддаются такой же однозначной теоретической интерпретации, что по видимому связано с неопределенностью исходной ориентационной структуры объемных образцов в отсутствии ориентирующих полей. • ;

В этом смысле перспективным представляется использование в качестве альтернативного, или дополнительного ориентирующего фактора, электрического поля, которое традиционно применяемся при оптических исследованиях ориентационной релаксации в тонких жидкокристаллических слоях. В частности, использование комбини-

рованного воздействия электрического и магнитного полей позволяет реализовать режим динамической переориентации монодоменного объемного образца жидкого кристалла, адекватно описываемого гидродинамической теорией. При этом открываются новые возможности экспериментального определения материальных коэффициентов не-матических жидких кристаллов (НЖК).

• Кроме того, следует отметить, что использование электрического поля является наиболее приемлемым с технической точки зрения способом управления режимами работы технических устройств на основе жидких кристаллов, а том числе реализующих анизотропные акустические свойства данных сред.

В связи с этим акустические исследования объемных: образцов тематических жидких кристаллов, ориентированных электрическим и магнитным полями, представляются актуальными как с научной, так и с практической точек зрения.

Цель работы: Изучение совместного влияния электрического и магнитного полей на релаксационные процессы в объемных образцах НЖК акустическим методом. Решение этой задачи включает в себя:

-создание экспериментальной установки и акустической камеры, разработку методики для экспериментального изучения ориентирующего воздействия электрического и магнитного полей на образец НЖК больших линейных размеров.

-измерение анизотропии поглощения ультразвука в образце ЖК, предварительно ориентированном магнитным полем, при воздействии на него электрического поля.

- экспериментальное исследование акустическим методом динамического отклика ориентационной структуры образца ЖК на воздействие пульсирующего электрического поля.

-теоретический анализ экспериментальных результатов на основе континуальной и молекулярно-статистической теорий.

Научная новизна. Впервые разработана методика и создана установка для исследования акустических свойств объемных образцов жидких кристаллов, ориентированных электрическим и магнитным полями.

Впервые акустическим методом проведены экспериментальные исследования ориентационных изменений в объемных образцах ЖК при совместном воздействии электрических и магнитных полей.

Показано, что для ЖК с положительной анизотропией диэлектрической проницаемости (Ае) ориентирующее электрическое поле может быть эффективно использовано как фактор, альтернативный магнитному полю при акустических исследованиях ЖК. При этом для ЖК с большими положительными значениями Ае электрическое поле может оказывать более сильное ориентирующее действие по сравнению с магнитным при достижимых экспериментально управляющих напряжениях.

Впервые акустическим методом исследована ориентационная релаксация объемных образцов ЖК в пульсирующем электрическом поле, на основании чего были рассчитаны значения вращательной вязкости ЖК.

Практическая ценность. Создана экспериментальная установка для проведения акустических исследований динамических свойств широкого класса ЖК при совместном действии статических и переменных электрических и магнитных полей. Полученные экспериментальные результаты позволяют определить параметры ЖК, имеющие прикладное значение: анизотропию диамагнитной восприимчивости и коэффициент вращательной вязкости. Доказанная эффективность ис-

пользования электрического поля для управления ориентационной структурой в объемных образцах нематиков позволяет обосновать разработку новых технических устройств, реализующих анизотропные акустические свойства ЖК. Установлена принципиальная возможность получения достоверной информации об анизотропных акустических параметрах нематиков с использованием управляющих электрических полей, что является альтернативой использованию магнитного поля.

Автор защищает: Результаты методических разработок и экспериментальных исследований динамики ориентационных процессов в НЖК, ориентированных совместным воздействием электрического и магнитного полей.

Результаты исследования зависимости акустических параметров НЖК от напряженности электрического поля, полученные при различных ориентациях магнитного поля относительно вектора напряженности электрического поля.

Результаты теоретического анализа экспериментальных данных.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на 17 международной конференции по жидким кристаллам (Страсбург, 1998 г.), секции «реология жидких кристаллов» Всероссийской научной конференции (Воронеж, 1999 г.), II Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права» (Сочи, 1999 г.).

Объем работы. Диссертация содержит 140 страниц машинописного текста, 17 таблиц, 67 рисунков, библиографию из 98 наименований. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и выводов, списка литературы и приложения, включающего 25 таблиц.

Основное содержание работы.

Во введении обоснована актуальность исследуемой проблемы и намечены пути ее решения.

В первой главе приведен обзор теоретических и экспериментальных результатов исследований релаксационных процессов в ЖК, находящихся под действием внешних полей. Проанализирована связь данных процессов с молекулярно-кинетическими параметрами и акустическими свойствами НЖК. Показана возможность изучения быстрых и медленных релаксационных процессов на основе измерения акустических параметров ЖК в переменных внешних полях.

Анализ теоретических и экспериментальных результатов, проведенный в этой области, позволил сформулировать физическую задачу настоящей работы, обосновать выбор в качестве объекта исследования нематической жидкокристаллической смеси ЖК-654, отличающейся большим положительным значением анизотропии диэлектрической проницаемости и определить методический подход при решении поставленной задачи.

Во второй главе приведено описание акустического метода исследования НЖК при ориентирующем действии на него электрического и магнитного полей, основных требований, предъявляемых к экспериментальной установке, методике измерения коэффициента поглощения ультразвука в статических и пульсирующих электрических полях в образце жидкого кристалла, предварительно ориентированном магнитным полем, функциональной схемы экспериментальной установки и конструкции измерительной камеры, результаты контрольных измерений и анализ погрешностей.

Для исследования совместного влияния электрического и магнитного полей на поглощение ультразвука методом непрерывного из-

лучения-приема ультразвука использовалась установка, функциональная схема которой приведена на рис. 1.

Рис. 1. Блок схема экспериментальной установки (1- генератор высокочастотных сигналов, 2- излучающий преобразователь, 3- приемный преобразователь, 4- осцилограф, 5- милливольтметр, 6- компьютер с АЦП, 7- акустическая камера, 8-электромагнит, 9-поворотный механизм, 10- низкочастотный генератор управляющего электрического напряжения, 11- амперметр, 12- источник питания электромагнита, 13- генератор импульсов, 14- модулятор, 15-цифровой вольтметр).

С целью создания электрического поля с напряженностью, достаточной для переориентации директора при создании акустической камеры использовался метод основанный на прозвучивании образца жидкого кристалла, разделенного на 20 слоев (толщина слоя 1,1 мм)

акустически прозрачными токопроводящими перегородками (из ал-люминиевой фольги толщиной 0,02 мм), на каждую из которых подавалось управляющее электрическое напряжение (рис. 2). Результаты расчетов коэффициентов прозрачности и отражения ультразвука прошедшего акустическую камеру позволяют сделать вывод о том, что к расчету акустических параметров кристаллов, разделенных тонкими перегородками можно использовать соотношения, полученные для однородных образцов ЖК.

Оцененная относительная погрешность определения коэффициента поглощения ультразвука по данной методике не превышает 7 %.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований акустическим методом ориентационных изменений не-матической фазы смеси ЖК-654, находящейся под воздействием статического и пульсирующего электрического полей (под пульсирующим полем понимается синусоидальное напряжение частотой 600 Гц, амплитуда которого скачкообразно изменяется). Измерения проводились на частоте ультразвука 2.01 МГц при температуре образца 25° С. Кроме того, приведены результаты акустических исследований данной смеси во вращающемся магнитном поле индукцией 0.21Тл. Изучение процессов ориентационной релаксации осуществлялось на основе измерения изменений амплитуды акустического сигнала, характеризующих анизотропию коэффициента поглощения ультразвука (Да) при наложении электрического поля с учетом ее связи с углом ориентации директора:

^^(0)= асов2 9 + Ьсов4 0, ..... (1)

где а, Ь- параметры, задающие угловую зависимость коэффициёнт'а поглощения ультразвука, 9 -угол между волновым вектором и дирек-

тором п, который определяет изменение ориентации директора в жидком кристалле и является основным параметром, подлежащим оценке.

На основании результатов экспериментов установлены следующие закономерности:

1. Так же, как и в пространственно однородном образце, зависимость коэффициента поглощения от 9 описывается уравнением (1). При этом, магнитное поле направленное параллельно волновому вектору увеличивает коэффициент поглощения ультразвука, а поле, ориентированное перпендикулярно волновому вектору, уменьшает значение коэффициента поглощения ультразвука относительно его значения в неориентированном образце. Совпадение выводов гидродинамики с экспериментальными результатами подтверждает возможность применения расчетных соотношений, полученных для пространственно однородных образцов ЖК, к расчету параметров жидких кристаллов, разделенных на слои тонкими перегородками.

2. При измерениях индукционных зависимостей наибольшее изменение коэффициента поглощения ультразвука наблюдается при изменении магнитной индукции в области 0-0,1Тл. Магнитное поле, превышающее 0.1 Тл не вызывает существенного изменения коэффициента поглощения в исследуемом кристалле, что свидетельствует о достижении насыщения. Приложение к неориентированному

Рис. 2. Геометрия проведения эксперимента.

образцу ЖК электрического поля, параллельного волновому вектору, приводит к увеличению коэффициента поглощения ультразвука. Наибольшее изменение коэффициента поглощения ультразвука наблюдается при изменении управляющего напряжения от 0 до 10В (рис. 3). Установлено, что электрическое поле эффективно переориентирует директор жидкого кристалла и при напряжении на электродах более 10В разница значений анизотропии коэффициента поглощения в

Рис. 3. Зависимость —от управляющего напряжения

электрическом и магнитном полях не превышает 3%, что свидетельствует о том, что в электрическом поле достигается та же ориентация директора, что и в насыщающем магнитном поле.

3. В стационарном случае для образцов ЖК, предварительно ориентированных магнитным полем (рис. 4), увеличение индукции магнитного поля приводит к тому, что для достижения насыщения на

зависимости необходимо прикладывать большие электрические

напряжения (рис. 5).

и

Рис. 4.3ависимостъ управляющего напряжения при <рн=30°

(1- В=0,049 Тл, 2- 0,07 Тл, 3- 0,119 Тл, 4- 0,157 Тл, 5- 0,19 Тл).

4. В пульсирующем электрическом поле для кристалла, предварительно ориентированного магнитным полем, временная зависи-

Да ' «

мость — удовлетворительно описывается эмпирическои зависимо-

Рис. 5. Зависимость Ш от индукции магнитного поля§<- ф„=30°, х-(рн=450,о-фн=60°).

Да.

Да

I I max

1-ехр

(2)

где

Да

предельное значение анизотропии коэффициента погло-

щения ультразвука при »°о, тЕВ-константа, являющаяся функцией напряженности электрического и индукции магнитного полей. Соотношение (2) соответствует выражению, полученному для временной зависимости анизотропии коэффициента поглощения, наблюдавшейся при наложении пульсирующего магнитного поля на предварительно неориентированный образец. С увеличением напряжения на электродах, при фиксированной индукции магнитного поля, тЕВ уменьшается (рис. 6).

Л0С 1 п

г.—г- Ш- ,М С

гГ!

Да

Рис. 6.Временная зависимость -р- в ЖК, предварительно ориентированном внешним магнитным полем В=0.07Тл, (рн=30° (1- U=25B, 220В, 3-15В).

Ч ЕВ)

5. При исследованиях во вращающемся магнитном поле подтверждены характерные изменения акустических свойств жидких кристаллов, исследованных ранее: в синхронном режиме величина

не зависит от частоты вращения поля, на фазовой характеристике

Ла(©п,1)/Гг наблюдается сдвиг фазы между максимумом коэффициента поглощения ультразвука и вектором магнитной индукции, являющийся функцией температуры, магнитной индукции и частоты вращения магнитного поля. Увеличение частоты вращения приводит к возрастанию фазового сдвига, который достигает максимального значения при Шц стремящейся к критической частоте. Зависимость 51п2ср от частоты вращения поля, индукция которого превышает индукцию насыщения является линейной и описывается формулой вида:

8ш2ф=к£0н, (3)

где к- коэффициент пропорциональности, зависящий от температуры и индукции магнитного поля.

В четвертой главе выполнен теоретический анализ экспериментальных данных. Для геометрии, показанной на рис. 2 уравнение изменения пространственно однородного поля ориентаций нематика, находящегося в электрическом и магнитном полях имеет вид:

Оф I) л 'У "у

у —— — Ян вш 2(р и (сое ф-ят ф)+2(а£-анС08фн)8тф, (4)

где аЕ= £0Д£Ег и а11=|д."'0АхН2 - коэффициенты, связанные соответственно с влиянием электрического и магнитного полей на переориентацию директора, (р„- угол предварительной ориентации директора магнитным полем. ■ :

В стационарном случае зависимость угла поворота директора от значений напряженности электрического поля и индукции магнитного

при их совместном действии на образец жидкого кристалла описывается выражением:

-2

=

г 2 Г( -С082фн

51п2фн

+. 1+

/ Г^ - С08 2(рн яш 2фн

(5)

где г) = —. На рис. 7 показаны результаты сравнения эксперимен-

тальных и теоретических зависимостей

Да Дат.,

рассчитанных с ис-

пользованием (1) и (5). Наилучшее соответствие наблюдается при значении параметра Д%=1.15*10"6. Таким образом, по результатам акустических измерений кристалла, ориентированного совместным воздействием электрического и магнитного полей, возможна оценка величины анизотропии диамагнитной восприимчивости ЖК.

До.

Рис. 7. Экспериментальные (1- В=0,049 Тл, 2- 0,07 Тл, 3- 0,119 Тл, 4- 0,157 Тл, 5- 0,19 Тл) ц теоретически вычисленные (сплошные

линии) зависимости от управляющего напряжения при

Да,

ФН=зо°.

В отличие от экспериментов в пульсирующем магнитном поле, когда перед включением поля распределение директора считается равновероятным, в экспериментах с ЖК, находящемся под действием ориентирующего магнитного поля, при включении электрического поля происходит переориентация монодоменного образца ЖК. Решение уравнения (4), определяющего временную зависимость изменения угла ориентации директора в случае включения поля имеет вид:

п -с<и2ф„

= —-—+-

БШ 2 <ри

Ч'Рн

(т|' - соз 2ср „ ) эш 2фн

1 +

Г]! -С082ф„ 5ш2фн

1Ь(Шен1)

(6)

1 +

гдесоЕН =юн8ш2фн

1+

1+

л' -соз2(ри

т)' - сое 2ф н 2фн

(Ь(шЕ„1)

2 \2 ~П -со$2(рн

8ш2фн

■ характеристическая час-

тота релаксации директора в электрическом и магнитном полях,

1 йо'АхВ2

сон =--2—---характеристическая частота релаксации директора

2 У,

в магнитном поле. На рис. 8 представлены результаты сравнения экспериментальных и рассчитанных по формуле (6) значений вреДа

менных зависимостей

Да„

-. Данные зависимости совпадают в

пределах погрешности при значении коэффициента вращательной вязкости у, =0,34 кг м "'сТаким образом, на основании результатов измерения временных зависимостей изменения коэффициента поглощения ультразвука при включении электрического поля, как

видно из уравнения (6), при известном отношении — имеется возможность определения коэффициента вращательной вязкости жидкого кристалла.

Рис. 8. Экспериментальные (1- и=20В, 2-15В, 3-10В) и вычисленные с использованием (6) (сплошные линии) временные зависимости при (ри=45°, В=0.035 Тл.

Данная возможность подтверждается результатами исследований акустических свойств ЖК-654 во вращающемся магнитном поле по апробированной методике (экспериментальные измерения выполнены на базе Воронежского государственного университета). На рис.9

V

представлена температурная зависимость отношения , рассчитанная из экспериментов во вращающемся магнитном поле в сравнении

со значением —, полученном на основе результатов измерений с ис-АХ

пользованием пульсирующего электрического поля. В отличии от экспериментов в пульсирующем магнитном поле, результаты измерений в пульсирующем электрическом поле совпадают в пределах погрешности с результатами, полученными во вращающемся магнитном поле.

у

Рис. 9. Температурная зависимость отношения —, рассчитанного из

ДОС

измерений:« - во вращающемся магнитном поле, О -в пульсирующем электрическом поле.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ В диссертационной работе исследованы релаксационные явления в жидких кристаллах, на основе измерений изменения коэффициента поглощения ультразвука в кристалле,' ориентированном совместным действием электрического и магнитного полей. На основании выполненных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Разработана методика и создана установка для исследования акустических свойств объемных образцов жидких кристаллов, ориентированных электрическим полем.

2. Впервые акустическим методом проведены экспериментальные исследования ориентационных изменений в ЖК при совместном воздействии электрических и магнитных полей.

3. Показано, что для ЖК с положительной анизотропией диэлектрической проницаемости ориентирующее электрическое поле может быть эффективно использовано как фактор, альтернативный магнитному полю при акустических исследованиях ЖК.

4. Исследованы зависимости коэффициента поглощения ультразвука от напряженности электрического поля. Показано, что для ЖК с большими значениями анизотропии диэлектрической проницаемости электрическое поле может оказывать более сильное ориентирующее действие по сравнению с магнитным при достижимых экспериментально управляющих напряжениях.

5. Проведены эксперименты по совместному воздействию электрического и магнитного полей на ориентационную структуру ЖК и анализ полученных результатов позволил предложить новый способ определения анизотропии диамагнитной восприимчивости ЖК.

6. Исследована ориентационная релаксация объемных образцов ЖК в пульсирующем электрическом поле и рассчитаны значения вращательной вязкости ЖК, которые соответствуют данным, полученным во вращающемся магнитном поле.

ОСНОВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Пасечник C.B., Неронов H.A., Ус H.A. Методика измерения акустических параметров жидких кристаллов, ориентированных электрическим полем и сдвиговым течением. Межвузовский сб. научн. трудов, с. 125-129. Воронеж. 1998.

2. S.V. Pasechnik, D.L. Bogdanov, A.N. Larionov, N.N. Larionova, N.A. Neronov. Ultrasonic investigation of viscous properties of a wide-range nematic liquid crystal. 17th International liquid crystal conference. Pl-134. Strasbourg. 1998.

3. S.V. Pasechnik, N.A. Neronov. Anisotropie propagation of ultrasound in nematic oriented by magnetic and electric fields . 17lh International liquid crystal conference. Pl-135. Strasbourg. 1998.

4. Пасечник C.B., Неронов H.A. Определение анизотропии диамагнитной восприимчивости акустическим методом. Тезисы докл. Всероссийской научной конференции, часть 7 «реология жидких кристаллов». с. 278. Воронеж. 1999.

5. Неронов H.A. Применение электрического поля при акустических исследованиях жидких кристаллов. Тезисы докл. Всероссийской научной конференции, часть 7 «реология жидких кристаллов», с. 295. Воронеж. 1999.

6. Пасечник C.B.,Неронов H.A. Акустические исследования жидких кристаллов, ориентированных электрическим полем. Труды II Международной научно практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права», с.133-138. Сочи. 1999.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЖИДКИХ КРИСТПЛЛОВ В ПЕРЕМЕННЫХ ВНЕШНИХ ПОЛЯХ.

1.1. Релаксационные процессы в НЖК.

1.2. Экспериментальные исследования магнитоакустических свойств НЖК.

1.3.Исследования влияния электрического поля на свойства НЖК в тонких образцах.

1.4.Постановка задачи, выбор объектов и метода исследования.:.

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА АКУСТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ РЕЛАКСАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ ПОД ВОЭДЕЙСТВИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО И МАГНИТНОГО ПОЛЕЙ.

2.1. Методика акустических исследований ЖК, ориентированных совместным действием электрического и магнитного полей и основные требования, предъявляемые к экспериментальной установке.

2.2. Акустическая камера.

2.3. Рассчет прохождения ультразвука через многослойную систему

2.4. Методика проведения экспериментов.

2.5.Оценка погрешностей эксперимента и контрольные измерения.

ГЛАВА 3 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ИЗМЕНЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПОГЛОЩЕНИЯ В ЖК, ОРИЕНТИРОВАННОМ СОВМЕСТНЫМ ДЕЙСТВИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО И МАГНИТНОГО ПОЛЕЙ.

ЗЛ. Зависимость коэффициента поглощения ультразвука от силовых характеристик поля.

3.2. Исследование временных зависимостей изменения коэффициента поглощения в пульсирующем электрическом поле.

3.3. Зависимости изменения коэффициента поглощения и скорости ультразвука в статическом и вращающемся магнит ных полях

ГЛАВА 4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

4.1. Динамическое поведение монодоменного образца НЖК, ориентированного совместным действием электрического и магнитного полей.

4.2.Стационарные зависимости коэффициента поглощения ультразвука ЖК, ориентированного совместным действием электрического и магнитного полей.Г.

4.3. Временные зависимости анизотропии коэффициента поглощения ультразвука ЖК, ориентированного совместным действием электрического и магнитного полей.

4.4. Диссипативные параметры НЖК.

Широкое применение жидких кристаллов (ЖК) в современных устройствах отображения информации и для визуализации физических полей различной природы вызывает повышенный интерес к экспериментальным и теоретическим исследованиям поведения жидких кристаллов в переменных внешних полях. В основе функционирования большинства указанных устройств лежат процессы ориентационной релаксации, связанные с совместным вращением молекул относительно их коротких осей. Одним из эффективных методов исследования данных процессов является акустический метод, позволяющий изучать образцы относительно больших линейных размеров, для которых можно пренебречь влиянием граничных эффектов на ориентацию директора жидкого кристалла. Регистрируемое в акустических экспериментах, анизотропное поглощение ультразвука, содержит информацию не только о быстрых внутримолекулярных и критических релаксационных процессах, но и о процессах медленной ориентационной релаксации. Это подтверждается детальными экспериментальными и теоретическими исследованиями немати-ческих и смектических С жидких кристаллов во вращающихся магнитных полях[1,2]. В то же время проведенные исследования жидких кристаллов в пульсирующих магнитных полях не поддаются такой же однозначной теоретической интерпретации, что по видимому связано с неопределенностью исходной ориентационной структуры объемных образцов в отсутствии ориентирующих полей.

В этом смысле перспективным представляется использование в качестве альтернативного, или дополнительного ориентирующего фактора электрического поля, которое традиционно применяется при оптических исследованиях ориентационной релаксации в тонких жидкокристаллических слоях[3]. В частности, использование комбинированного воздействия электрического и магнитного полей позволяет реализовать режим динамической переориентации монодоменного объемного образца жидкого кристалла, адекватно описываемого гидродинамической теорией. При этом открываются новые возможности экспериментального определения материальных коэффициентов НЖК.

Кроме того, следует отметить, что использование электрического поля является наиболее приемлемым с технической точки зрения способом управления режимами работы технических устройств на основе жидких кристаллов, в том числе реализующих анизотропные акустические свойства данных сред[4].

В связи с этим акустические исследования объемных образцов нематических жидких кристаллов, ориентированных электрическим и магнитным полями, представляются актуальными как с научной, так и с практической точек зрения.

Данная работа посвящена изучению релаксационных свойств нематической фазы жидкокристаллического состояния вещества ориентированного совместным действием электрического и магнитного полей акустическим методом. Работа содержит введение, четыре главы, заключение, список литературы и приложение. В первой главе диссертации представлен обзор результатов теоретических и экспериментальных исследований релаксационных свойств нематических жидких кристаллов. Во второй главе приведено описание экспериментальной установки и методики проведения эксперимента, результаты контрольных измерений и анализ погрешностей. В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований объемных об

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ В диссертационной работе исследованы релаксационные явления в жидких кристаллах, на основе измерений изменения коэффициента поглощения ультразвука в кристалле, ориентированных совместным действием электрического и магнитного полей.

На основании выполненных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Разработана методика и создана установка для исследования акустических свойств объемных образцов жидких кристаллов, ориентированных электрическим полем.

2. Впервые акустическим методом проведены экспериментальные исследования ориентационных изменений в ЖК при совместном воздействии электрических и магнитных полей.

3. Показано, что для ЖК с положительной анизотропией диэлектрической проницаемости ориентирующее электрическое поле может быть эффективно использовано как фактор, альтернативный магнитному полю при акустических исследованиях ЖК. .

4. Исследованы зависимости коэффициента поглощения ультразвука от напряженности электрического поля. Показано, что для ЖК с большими значениями Аг электрическое поле может оказывать более сильное ориентирующее действие по сравнению с магнитным при достижимых экспериментально управляющих напряжениях.

5. Проведены эксперименты по совместному воздействию электрического и магнитного полей на ориентационную структуру ЖК и анализ полученных результатов позволил

110 предложить новый способ определения анизотропии диамагнитной восприимчивости ЖК.

6. Исследована ориентационная релаксация объемных образцов ЖК в пульсирующем электрическом поле и рассчитаны значения вращательной вязкости ЖК.

Ill

1. Капустин А.П., Капустина О.А. Акустика жидких кристаллов. М., Наука, 1986, 248 стр.

2. Кашицин А. С. Акустические исследования динамических процессов в ориентированных жидких кристаллах, имеющих фазовый переход смектик А-смектик С. М., МИП, 1989, 224 стр.

3. Блинов Л.М. Электро- и магнитооптика жидких кристаллов. М., «Наука», 1978, 384 стр.

4. Вистинь Л.К., Лагунов А.С., Ламекин В.Ф. Жидкие кристаллы в устройствах информатики. М., Радио и связь, 1995, 295 стр.

5. Forster D., Lubensky Т.С., Martin Р.С. Hydrodynamics of liquid crystals. Phis. Rev. Lett., v.26, n. 178, 1971, p.1016-1019.

6. Forster D. Microscopic theory of frow alignment in neumatic liquid crystals. Phis. Rev. Lett., v.32, n. 21, 1974, p.l 161-1164.

7. Ericseen J.L. Inequalites in liquid crystals theory. Physics Fluids, v.9, 1966, pl205-1207.

8. Ericseen J.L. Conservation laws for liquid crystals. Trans. Soc. Rheal., v.5, 1961, p. 23-34.

9. Ericseen J.L. Continium theory of liquid crystals of nematic type. Mol. Crysy. Liq.Cryt., v.7, 1969, p.265-283.

10. Leslie F.M. Some constitutive squations for liquid crystals. Arch Ration. Mech. Anal., v.28, №4, 1968, p. 269-283.

11. Leslie F.M. Some constitutive squations for anisotropic fluids. Quart. Jorn. Mech. Appl. Math., v.19, 1966, p.357-370.

12. Parodi O. Stress tensor for a nematic liquid crystal. J le Phis., 1976, 31, №7, p. 581-584.

13. Wetsel G.C., Sp.eer M.M., Effects of magnetic field on attenuation of ultrasonic waven in a nematic liquid cristal. J.Appl. Phis., 1972, v.43, p.1495-1497.

14. Stephen M.J. Straley J.P. Physics of liquid crystals. Rev. Mod, Phis. 1974, v.46, p.617-704.

15. Piesi G., Reting R., Demus D.,-Die Doppelbrechung einigernieding sehmelrender nematischer substanzen. Z.Phis.Chem., v.256, 1975. p.305-311.

16. Saupe A. Die Biegungselastisitar der nematischen Phase von Asoxyanisol. Z.Naturforsch, v. 15a, 1960, p.815-822.

17. Румянцев В.Г. Блинов JI.M. Кизель В.А. Спектроскопия молекул красителей в жидкокристаллических матрицах., Сб. докл. II Всес. научной конференции по жидким кристаллам. Иваново. 1973, с. 191-194.

18. Блинов JI.M. Электрооптические эффекты в жидких кристаллах. УФН. №114, 1974, с.67-96.

19. Чистяков И.Г., Вистинь JI.K. О возможностях технического использования жидких кристаллов., сб. докл. II Всесоюзн. конф. По жидким кристаллам. Иваново, 19.73, с. 232-250.

20. Белоусов А.В., Лагунов А.С., Капустин А.П. Влияние поперечного магнитного поля на акустические свойства жидких кристаллов. ЖФХ, т.47, №6, 1973, с. 1564-1565.

21. Аникин A.M., Белоусов А.В., Лагунов А.С. Влияние магнитного поля на акустические свойства нематических кристаллов. Акустический журнал, т.23, вып. 3, 1977, с. 459460.

22. Богданов Д.JI. Ультразвук и динамические свойства жидких кристаллов в магнитных полях переменной ориентации при высоких давлениях. Докт. дисс., М.,МПУ, 1999.

23. Волков В.В. Ультразвук и анизотропия вязкоупругих свойств нематических жидких кристаллов в области низких частот. Канд. дисс, Воронеж,ВВАИУ, 1999.

24. Пасечник С.В. Исследование ориентационной релаксации в потоках нематических жидких кристаллов акустическим методом. сб. Применение ультраакустики к исследованию веществ, ВЗМИ, М., 1979. с. 3-15.

25. Капустин А.П. Экспериментальные исследования жидких кристаллов. М., Наука, 1978. 368 стр.

26. Gehwiller Ch. The viscosity coefficient of a room-temperature liquid crystal (MBBA). Phis. Lett., 1971. V.36, n.4, p. 311-312.

27. Gehwiller Ch. Direct determination of the five independent coefficients of nematic liquid crystal. Mol. Cryst. Liq.Cryst., 1973, v.20, p.301-318.

28. Helfrich W. Molecular theory of flow alignment of nematic liquid crystal. J.Cem.Phis., 1969, v.50, h.I, p.100-106.

29. Helfrich W. Torques in sheard liquid crystals: a simple model in term of the theory of dence fluids. J. Chem. Phis., 1970, v.53, n.2, p.2267-2271.

30. De Jeu W. Phisical properites of liquid crystalline materyals in relation to their applications. Mol. Cryst. Liq. Cryst., 1981, v.63, p. 83-110.

31. Де Же В. Физические свойства жидких кристаллов, «Мир», 1982, 152 с.

32. Imura H., Okanp E. Temperature dependens of the viscosity coefficients of liquid crystals. Japan J.App.Phis., 1972, v. 11, p. 14401445.

33. Diogo A.C. Martins A.F. Thermal behavior of the twist viscosity in a series of homologues nematic liquid crystals. Mol. Cryst. Liq. Cryst., 1981, v.66, p. 133-146.

34. Diogo A.C. Martins A.F., Correlation between twist viscosity and dielectric relaxation in nematic liquid crystals. Portugal. Phis., 1980, 11,№ 1-2, p. 47-52.

35. Diogo A.C. Martins A.F., Order parameter and temperature dependence of the hidrodinamic viscosities of nematic liquid crystals. J. Phis. (Frans). 1982, v.43, p.779-786.

36. De Jeu W. On the viscosity coefficients of nematic MBBA and the validity of the Onsager-Parodi relation. Phis. Lett., 1978, v.69A, p.122-124.

37. Forster D, Lubensky T.S., Martin P.S., Swift J. Hidrodynamics of liquid crystals., Phis. Rev. Lett. 26, № 176 1971, p.1017-1019.

38. Parodi O., Martin P.S., Pershan P.S. United hidrodynamics theory for liquid crystals and normal fluids. Phis. Rev., 1972, №6,p.129-166.

39. Цветков В.H., Сосновский А.В. Диамагнитная анизотропия кристаллических жидкостей. ЖЭТФ, 1943, 13, № 9-10, с.353-360.

40. Цветков В.Н. Движение анизотропных жидкостей во вращающемся магнитном поле. ЖЭТФ, 1939, 9, № 5, с.602-615.

41. Цветков В.Н., Михайлов Г.М. Влияние магнитного поля на вязкость анизотропно-жидкого n-азоксианизола. ЖЭТФ, 1937, 7, № 12, с.1399-1408.

42. Emsley J.W., Lindon J.С., Luckhurst G.R., Nuclear magnetic resonance studies of magnetohidrodynamic effects in nematic mesophase. Chem. Phis. Lett., 1973, 19, №3, p. 345-350.

43. Кузнецов A.H., Радцлиг В.А. Исследование методом парамагнитного зонда жидкокристаллического п-азоксианизола., ЖСХ, 1972, 13, № 5, с.802-807.

44. Кузнецов А.Н., Кулагина Т.П. К теории магнитогидроди-намического эффекта в нематических жидких кристаллах. ЖЭТФ, 1975, 68, № 4, с.1501-1505.

45. Кузнецов А.Н., Кулагина Т.П. Теория магнитогидроди-намического эффекта для трехмерной модели жидкого кристалла. Кристаллография, 1978, 23, № 3, с. 471-476.

46. Кузнецов А.Н., Кулагина Т.П. О поведении нематических жидких кристаллов во вращающемся магнитном поле. В сб.: Жидкие кристаллы и их практическое применение. Иваново, с. 65-68.

47. S.V. Pasechnic, A.N.Larionov, V.A.Balandin. Etude acoustique de cristaux liquides nematiques sous champ magnetique pour différents temperatures et pressions. J,Phisiqîie, 1984, 45, p.441-449.

48. Богданов Д.JI., Геворкян Э.В., Лагунов A.C. Акустические свойства жидких кристаллов во вращающемся магнитном поле. Акустический журнал, 1980, 26, № 1 , с.28-34.

49. Leslie F.M., Luckhurst G.R., Smith H.J. Magnetihidrodynamic effects in nematic mesophase. Chem. Phis. Lett., 1972, 13, №4,p.368-371.

50. Лагунов A.C., Богданов Д.M., Лукьянов А.Е., Пасечник C.B. Исследование магнитоакустических свойств жидких кристаллов. Отчет по НИР, ВЗМИ, М., 1979 г. 359 с.

51. Monrol S.E., Wetsel G.H., Woodward M.R., Lowry b.A., Ultrasonic investigation of viscosity coefficients in nematic liquid crystal. J. Chem. Phis., v.63, №13, 1972. p.258-264.

52. Лагунов A.C., Самсонов B.C. Акустическая релаксация ориентированных растворов НЖК. сб. Материалы 3 Всесоюзной конференции по вопросам ультразвуковой спектроскопии. Вильнюс, 1976, с.107-109.

53. Castro С.A., Hikata A, Elbaum С. Ultrasonic attenuation anisotthropy in a nematic liquid crystal. Proc. 6 Int. Conf., Tokio, 1977. p.313-317.

54. Ларионова H.H. Влияние давления на анизотропные акустические параметры нематической фазы во вращающемся магнитном поле. Канд. дисс. Воронеж, ВВАИУ, 1997.

55. Богданов Д.Л., Лагунов A.C., Погожев С.Э. Коэффициент вращательной вязкости в нематической фазе п-н-бутоксибензилида н-бутиланилина. Ж.Физ.Химии, М., 1997, т.71, с.931-933.

56. Богданов Д.Л., Геворкян Э.В., Лагунов A.C. Акустические свойства жидких кристаллов во вращающемся магнитном поле. Акустический журнал, 1980, т.26, вып. 1, с.28-33.

57. Богданов Д.Л. Лагунов A.C. Пасечник C.B. Акустические свойства жидких кристаллов в пространственно-переменных полях. Сб. Применение ультраакустики к исследованию веществ, вып. 30, М., ВЗМИ, 1980, стр.62-68.

58. Gasparoux H. Proust J. Determination direct des 1 anisotropic magnetique de cristaux. T.Phis. vol. 32, №10-11, 1971, p.953-962.

59. Natale G.G., Commins D.E. Temperature dependence of anisotropic ultrasonic propagation in a nematic liquid crystals. Phis. Rev. Lett., 1972, 28, №22, p.1439-1441.

60. Геворкян Э.В., Лагунов А.С., Эргашев Д. Акустические свойства жидких кристаллов в пульсирующих магнитных полях. Акустический журнал. 1982, Т.28, вып.1, с.139-143.61. 65. Фредерике В, Золина В. ЖРФХО, физ.сер., 62, 457, 1930.

61. Saupe A. Z. Naturforch. 15а, 1960. р.815.

62. Н. Deuling, Mol, Cryst. Liq. Cryst., 19,123,1972.

63. H. Gruler, T.S. Sheffer, G. Meier, Z. Naturforch, 27a, 966, 1972.

64. H.J. Deuling, W. Helfrich, Appl. Phis. Lett. 25, 129, 1974.

65. H. Gruler, L. Cheung, J. Appl. Phis, 46, 5097, 1975.

66. H.J. Deuling, E. Guyon, P.Pieranski, Sol.St.Comm., 15, 277, 1974.

67. Maier W., Saupe F. Eine einfache molecular-statistische theorie der nematichen kristallinflussigen phase. Z. Natuforschg, 1960 15a №4, p. 287-292.

68. Kneppe H., Shneider F., Sharma N.K., J. Chem. Phis., 1982, 77, p.3203.

69. Чигринов В.Г., Гребенкин М. Ф. Кристаллография, 1983, 20, с. 1240.

70. Беляев В.В., Иванов С.А., Гребенкин М.Ф. Температурная зависимость вращательной вязкости нематическиз жидких кристаллов. Кристаллография, 1985, 30, с.1160.

71. Баландин В.А., Бахтиярова А. М., Геворкян Э.В., Кашицин А.С., Пасечник С.В. Акустические исследования динамическихсвойств и структурных превращений жидких кристаллов, отчет по теме ПЛ-05. М., ВЗМИ. 1990. 140 с.

72. Shin-Tson W., Chiung-Sheng W. Small angle relaxation of highly deformed nematic liquid crystals, App. Phis. Lett., 53, 1988,p.1794-1796.

73. Беляев В.В. Успехи химии, 1989, т.4.

74. Пасечник С.В., Неронов Н.А., Ус Н.А. Методика измерения акустических параметров жидких кристаллов, ориентированных электрическим полем и сдвиговым течением. Межвузовский сб. научн. трудов, с. 125-129. Воронеж. 1998.

75. S.V. Pasechnik, D.L. Bogdanov, A.N. Larionov, N.N. Larionova, N.A. Neronov. Ultrasonic investigation of viscousiLproperties of a wide-range nematic liquid crystal. 17 International liquid crystal conference. Pl-134. Strasbourg. 1998.

76. Пасечник С.В.,Неронов Н.А. Акустические исследования жидких кристаллов, ориентированных электрическим полем. Труды II межд. научно практической конф. с.133-138. Сочи. 1999

77. Бреховских Л.М., Годин С.А. Акустика слоистых сред.-М. «Наука». Гл. Ред. физ.-мат. наук. 1989. с. 38.

78. Бархатов А.Н., Горская Н.В., Акустика в задачах. М. Наука. Физматлит. 1996.-с.33.

79. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. Л. Энергоатомиздат. 1991. 304 стр.

80. Митин И.В., Русаков B.C. Анализ и обработка экспериментальных данных. М., Изд. ФИПТ, 1998, с.48.

81. Богданов Д.JI. Исследование-ориентационных свойств жидких кристаллов в переменных магнитных полях акустическим методом. Кандидатская диссертация. М., 1980.

82. Геворкян Э.В. Магнитоакустические свойства нематических и смектических жидких кристаллов, сб. Применение ультраакустики к исследованию веществ. М., 1981, вып. 31, с.64-67

83. Осипов A.B. Влияние давления на ориентационную релаксацию растворов жидких кристаллов в немезогенном растворителе в пульсирующем магнитном поле. Канд. дисс. МПУ, 1998.

84. Карабаев М.К., Лагунов A.C., Хабибулаев П.К., Эргашев Д. Магнитоакустические явления и ориентационная релаксация в системах из нематических жидких кристаллов при высоких давлениях. Изв. Ан. УзССР. 1980, №6, с.41-45.

85. Лагунов A.C., Ларионов А.Н. Влияние давления на акустические свойства жидких кристаллов в ротационных магнитных полях. Акустический журнал, 1984, т.30, с.344-351.

86. Saito S., Yamamoto H. Transient behavior of field-induced reorientation in variously oriented nematic liquid crystals. Jap.Journ. App. Phis. v. 17, n.2, p. 395-406.

87. Wetsel G. Ultrasonic wave propagation in nematic liquid crystals. Ultrason. Proc. Boston. Mass., 1972, p.453-460.

88. Богданов Д.Л., Геворкян Э.В., Лагунов A.C., Вистинь Л.К., Релаксационные свойства растворов алоксибензилиден-бутил анилинов. Межвуз. сб. научно-методических трудов. 4.1. Воронеж. 1999.

89. Ноздрев В. Ф. Применение ультраакустики в молекулярной физике. М., Физматгиз, 1958.120

90. Ноздрев В.Ф., Федорищенко -Н.В., Молекулярная акустика. М., Высшая школа, 1974, 288 с.

91. Аналогово-цифровой преобразователь L-154. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. М., L-Card, 1997, 49 с.

92. Анисимов М.М. Ультразвук и релаксационные свойства жидких кристаллов в ротационных магнитных полях. Канд. дисс. М., ВЗМИ, 1981.

93. Papon P., Pisant J.P. Chem. Phis. Lett., 1971,v.12, p.331.

94. Пасечник С.В., Прокопьев В.И., Шмелев О.Я., Баландин В.А О связи диссипативных коэффициентов с анизотропными акустическими параметрами нематического жидкого кристалла. Журнал физ. химии, том 61, №6, 1987, с.1685-1680.

95. Шмелев О.Я., Пасечник С.В., Баландин В.А., Цветков В.А. Температурные зависимости коэффициентов Лесли бутоксибензилиденбутиланилина. Журнал физ. химии, том 59, №8, 1985, с.2035-2039.

96. Schad F., Baur Е. and Meier J. Dielectric constants and diamag-netic anisotropies. J. Chem. Phis., Vol. 71 №8, 1979, p.3170-3 185

97. Osipov M.A., Terentjev E.M. Statistical viscosity theory of nematic liquid crystals, Phis. Lett., v.134, n.5, 1988, p.301-306.