Исследование анизотропии комплексного модуля сдвига нематических жидких кристаллов ультразвуковыми методами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.15 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

Глава I. ОСНОВЫ ГИДРОДИНАМИКИ НЕМАГИЧЕСКИХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ И

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СДВИГОВЫХ ВЯЗКОУПРУГИХ

СВОЙСТВ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ АКУСТИЧЕСКИМИ МЕТ ОДАМИ

1.1. Основные положения линейной теории вязкоупругости

1.2. Основные положения гидродинамики тематической фазы.

1.3. Гидродинамика изотропной фазы

1.4. Измерение коэффициентов вязкости в сдвиговом ламинарном потоке и поле сдвиговой ультразвуковой волны.

1.4Л. Стационарный ламинарный поток.

1.4.2. Сдвиговые ультразвуковые еолны

1.5. Экспериментальные исследования вязкоупругих свойств и релаксации в жидких кристаллах.

1.6. Постановка задачи и Еыбор объектов исследования . . .34 Г лава. 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ

2.1. Методика измерений сдвигового импеданса с использова нием кварцевой пластины АТ-среза.

2.2. Экспериментальная установка с использованием кварцевого резонатора iff-срез а.

2.2.1. Электронная часть и методика измерений

2.2.2. Измерительный элемент. 2.2.3. Оценка погрешности измерений.

2.3. Резонансный метод крутильных.колебаний.

2.4. Ориентация - молекул НЖК.

2.5. Измерение эффективной вязкости в стационарном ламинарном потоке. Измерение плотности жидкостей.

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОЙ, ЧАСГ0Г2 НОЛ И ОРИЕНТАЦИОННОЙ ЗАВИСИМОСТЕЙ СДВИГОВЫХ ВЯЗКОУПРУГИХ СВОЙСТВ НЕК

3.1. Температурная, частотная зависимости и анизотропия сдвигового импеданса ЕЖ.

3.2. Динамическая вязкость и модуль сдвига НИК, их анизотропия.

3.2.1. Динамическая вязкость.

3.2.2. Модуль сдвига НЖ.

Глава 4. СДВИГОВАЯ РЕЛАКСАЦИЯ В ШШШЕСКИХ ЩЦКИХ КРИСТАЛЛАХ.

МЕХАНИЗМЫ РЕЛАКСАЦИИ

4.1. Сдвиговая релаксация в НЖ.

4.2. Механизмы сдвиговой релаксации.

4.3. Поворотно-изомерная релаксация в НЖК.

4.4. Анизотропия вращательной подвижности и ориентационной релаксации в нематической фазе НЖК.

4.5. Релаксация в изотропной фазе НЖ.

ВЫВОДЫ.

Актуальность теш и практическое значение работы. В жидкокристаллическом состоянии высокая подвижность молекул вещества сочетается с элементами кристаллической упорядоченности. В этой связи динамические эффекты в жидком кристалле (Ж) возникают при незначительных внешних воздействиях. Это обусловило использование Ш в качестве рабочих тел в различного рода устройствах микроэлектронной техники (устройства отображения информации, устройства формирования изображения, ЯК-датчики и т.д.). Для разработки более надежных и экономичных приборов требуется всестороннее изучение физико-химических свойств жидких кристаллов. Применение разных экспериментальных методов исследования (оптическая, диэлектрическая, акустическая спектроскопии, рентгеноструктурный анализ и т.д.) позволяют получить информацию о динамических свойствах, структуре, характере межмолекулярного взаимодействия в ЖК. Например, исследования электрогидродинамических, магнитогидроди-намических и акустооптических свойств [i - ю] позволяют определить пороговые значения внешних воздействий, при которых возникают неустойчивости ориентации длинных осей молекул жидких кристаллов. Методы акустической спектроскопии позволяют эффективно исследовать релаксационные и анизотропные свойства ЖК. В литературе имеется обширный теоретический и экспериментальный материал по исследованию ЖК на продольных волнах [п - 20] , проведено обобщение экспериментальных данных [21 - 24] . Исследований на сдвиговых волнах в настоящее время мало. Измерения динамических параметров ориентированных жидких кристаллов на сдвиговых ультразвуковых волнах позволяют получить данные о температурной, частотной и ориен-тационной зависимостей импеданса, динамической вязкости, модуля сдвига, рассчитать параметры сдвиговой релаксации, определить некоторые молекулярно-кинетические параметры. Ограниченность данных о сдвиговых динамических свойствах Ж затрудняет теоретическое обобщение экспериментальных результатов. Следует также отметить, что имеющиеся в литературе сведения о сдвиговых динамических свойствах ориентированных ЖК противоречивы и разрознены, измерения обычно проведены в узком частотном диапазоне. В этой связи экспериментальные исследования температурной, частотной и ориен-тационной зависимостей импеданса, динамической вязкости, модуля сдвига являются актуальными как с научной, так и практической точек зрения.

Измерения сдвиговых динамических характеристик жидкостей основано на измерении сдвигового импеданса. На высоких частотах сдвиговой волны в основном используются импульсно-фазовые методы, разработанные Мэзоном и Мак-Скиминым [25, 2б] . Малочисленность, разрозненность, узкий частотный диапазон измерения и определенная противоречивость результатов эксперимента обусловлены, в частности, значительными трудностями реализации импульсно-фазовых методов. Нами разработана резонансная методика, которая позволяет расширить частотный диапазон измерения импеданса ЖК в идентичных условиях рабочей поверхности измерительного элемента, значительно упростить эксплуатацию экспериментальной установки. Предложена конструкция измерительной ячейки, позволяющая измерять электропроводящие жидкости и использовать при измерении незначительны количества исследуемых жидкостей (менее 0,5 см3). Получены экспериментальные результаты, позволяющие проверить ряд выводов гидродинамики нематических жидких кристаллов (НЖК). Измерены сдвиговые вязкоупругие параметры, имеющие прикладное значение: анизотропные коэффициенты динамической вязкости, модули сдвига, сдвиговые релаксационные параметры.

Научная новизна работы. Разработан и обоснован резонансный метод измерения сдвигового импеданса жидкостей в диапазоне частот (5 + 35) МГц с использованием кварцевого резонатора АТ-среза. Получены экспериментальные данные температурной, частотной и ориен-тационной зависимостей сдвигового импеданса, динамической вязкости, модуля сдвига нематиков ПЦБ, МББА, ЗМшЭ, БГОАБ, ГОБЭА двумя резонансными методами в диапазоне частот от 24,8 кГц до 33,9 МГц (расшифровка аббревиатур НЖК дана в параграфе 1.6). Обнаружены гидродинамические эффекты на низких частотах сдвиговой волны. Обнаружены вязкоудругие свойства НЖК на высоких частотах. Рассмотрены механизмы сдвиговой релаксации.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, библиографии и приложения. В первой главе рассмотрена гидродинамика НЖК, распространение сдвиговых волн в НЖК, приведены основные положения линейной теории вязкоупругости.Здесь же приведен обзор экспериментальных данных из литературы по вяз-коупругим свойствам и релаксации в НЖ. На основе обзора сформулирована цель диссертационной работы и обоснован выбор объектов исследования. Во второй главе обоснована методика измерения сдвигового импеданса с использованием кварцевого резонатора АТ-среза, получены расчетные формулы для компонент импеданса, проведена их оценка. Описаны экспериментальные установки, выполнен расчет ошибок измерений. В третьей главе описаны результаты измерений импеданса, динамической вязкости и модуля сдвига НЖК. В четвертой главе обсуждены вязкоупругие свойства измеренных нематиков, описана сдвиговая релаксация в НЖК, рассмотрены механизмы сдвиговой релаксации.

1. Разработана оригинальная резонансная методика и впервые создана экспериментальная установка для измерения сдвигового игшеданса ШЖ на частотах (5 ч- 35) Шц с использованием кварцевого резонатора ЛТ-среза, предложена конструкция измерительного элемента. Г1ол;!,'^чены расчетные формулы для компонент игдпеданса.2. Впервые получены экспериментальные данные тегшературной, ориен тационной зависимостей сдвигового импеданса в диапазоне частот от 25 кГц до 35 Г/ГГц в нематических жидких кристаллах ГЩБ, г,1ББА, SuAfji'S, БГОАБ, ГОБЭА. Рассчитаны значения коэфазициентов динамической вяз кости и модуля сдвига.4. Установлено, что эффективная вязкость больше динаглической вяз кости. Уменьшение динамической вязкости относительно эффективной в нематической фазе связано с разориентацией (наклоном) директора в сдвиговой волне.5. На частотах (5 -г 35) пГц установлены вязкоупругие свойства нема тической фазы Ш К { R>X ), что указывает на наличие релаксацион ных процессов в этом диапазоне частот; на частотах ниже 5 Шц исследованные К'Ж в нематической фазе проявляют ньютоновские свой ства {И^К , /{/J=04Wi^),

6. Проведен расчет релаксационных параметров; вдали от нематико изотропного перехода наблюдаются два релшюационных процесса с мерной релаксацией концевых цепей молекул НЖК. ется, что релаЕ^сация с временем -^10 ^^с обусловлена поворотно-изо- 124

7. З'становлено возрастание времени релаксации в нематической и изотропной фазах при приблюкении к тегшературе просветления. Пред полагается, что в неыатическои фазе вблизи теглпературы просветле ния на частотах (5 -г 35) Шц проявляется релаксация, связанная с флуктуациями директора.В заключении автор считает приятным долгом выразить призна тельность и благодарность своеглу научноглу руководителю доктору физико-математических наук, профессору Кошкину Николаю Ивановичу за внимание к работе, помощь в обсуждении результатов экспери мента.Автор также признателен кандидату физико-математических наук Табидзе А.А. за помощь в проведении эксперимента и обсуждении ре зультатов эксперимента.

1. Пикин А. Стационарное течение нематической жидкости во внешнем электрическом поле.- 1ЭТФ, I97I, 60, №3, II85-II90. 2 Чйгринов В.Г., Пикин А. Электрогидродинамический эффект в жидких кристаллах в переменном электрическом поле.- Кристаллография, 1978, 23, №2, с 333-345. 3 Труфанов А.Н., Барник М.И,, Блинов Л.М., Чйгринов В.Г. Электрогидродинамическая неустойчивость в гомеотропно ориентированных слоях нематических жидких кристаллов.- 1ЭТФ, I98I, 80, №2, с 704-715.

2. Чувыров А.Н. Низкочастотное локальное вращение молекул нематических жидких кристаллов под воздействием акустической сдвиговой волны и электрического поля,- 1ЭТФ, 1982, 82, №3, с 761-768.

3. Капустина О.А., Статников Ю.Г. Ориентационное воздействие акустического поля на нематические кристаллы.- Акуст. ж., 1974, 20, №2, с. 248-251. 6 Кондратенко В.К., Фарзтдинов М.М., Чувыров А.Н. Фотоупругий эффект в нематическихжидких кристаллах.- ФГТ, 1975, 17, №3, с 795-799. 7 Кожевников Е.Н., Чабан И,А. К вопросу об использовании жидких кристаллов в акустооптических устройствах.- Акуст. ж., 1975, 21, №6, с 900-907.

4. Капустина О.А., Лупанов В.Н. Акустооптические свойства слоя нематического кристалла с гомеотропной ориентацией.- ЖЭТФ,197б, 71, №6, с 2324-2329. 9. ГбБоркян Э.В. К теории акусто-оптических явлений в жидких кристаллах в магнитном поле.- Акуст. ж., 1982, 28, №3, с. 336-341.

5. Чабан И,А. Акустогидродинамическая неустойчивость нематических жидких кристаллов.- Муст, к 1979, 25_, №1, с. 124-134. 1 1 Лукьянов Е,А., Лагунов А.С. Влияние магнитного поля на скорость ультразвука в индикаторах из жидких кристаллов.- В кн.; Применение ультраакустики к исследованию вещества. М.: Изд-во вами, 1975, вып. 28.

6. Бахтиярова A.M., Лукьянов А.Е., Лагунов А.С. Влияние магнитного поля на акустические свойства низкотемпературного раствора ШЛ. В кн.: Применение ультраакустики к исследованию вещества. М.: Изд-во ВЗМИ, 1977, вып. 29.

7. Баландин В.А,, Лагунов А.С. Влияние магнитного поля на распространение ультразвука в области фазового перехода нематиксмектик А.- iyCT, ж., 1974, 25, №4, с.614.

8. Лагунов А С Баландин В.А. Акустические свойства смектических жидких кристаллов В-модификации в статических магнитных полях.- Письма в 1ЭТФ, 1979, 30, №3, с З

9. Богданов Д.Л., Геворкян Э.В., Лагунов А.С. Акустические свойства жидких кристаллов во вращающемся магнитном поле,- Акуст. ж., 1980, 26, №1, с.28.

10. Богданов Д.Л., Лагунов A.G., Ларионов А.Н. Релаксационные свойства нематических фаз п-н-алкоксибензилиден-п-бутиланилиноБ во вращающемся магнитном поле,- Журн. физ. химии, 1982, 54, №6, I494-I499.

11. Богданов Д.Л., Лагунов А С Пасечник С В Акустические свойства жидких кристаллов в пространственно-переменных магнитных полях.- В кн.: Применение ультраакустики к исследованию вещества. М.: Изд-во ВЗМИ, 1979, вып. 30.

12. Попов А.И., Пасечник С В Влияние магнитного поля на пороговые характеристики акустооптических явлений в нематических

13. Самсонов B.C. Внутримолекулярная релаксация в смесях ШК,В кн.: Применение ультраакустики к исследованию вещества. М,: Изд-во ВЗМИ, 1982, вып. 34.

14. Геворкян З.В. Магнитоакустические свойства нематических и смектических жидких кристаллов,- В кн.: Применение ультраакустики к исследованию вещества. М.: Изд-во ВЗМИ, I98I, вып. 31.

15. Капустин А.П. Экспериментальные исследования жидких кристаллов.- М,: Наука, 1973.

16. Капустин А.П. Электрооптические и акустические свойства жид. ких кристаллов,- М.: Наука, 1973. 25:.

17. Мэзон У. Физическая акустика.- М.: Мир, 1966, т.1 А.

19. Кошкин Н.И,, Чумакова С В Динамическая вязкость и модуль сдвига жидких кристаллов.- В кн.: Труды 4ой научно-технической конференции по информационной акустике. М., 1978, с 107-109.

20. Кошкин Н.И., Чумакова С В Определение коэффициентов вязкости нематических жидких кристаллов,- Кристаллография, 1978, 23_, №2, с. 432-433. 48, Gakivi--fet О сфссро: cYeet./itf/iZiSlc/f с/е Jcye сисе

21. Чумакова С В Зкспериментальные исследования вязкоупругих свойств жидких кристаллов сдвиговыш ультразвуковыми волнами.. Дисс... канд. физ.-мат, наук: М., 1980. 233 л ил. 50, UtJ. oe/nw/tc/s. c=/f«?/tr Hes-c-sii: o±£>ji?tTes oj!i 22. Резцов Ю.В, Исследование влияния магнитного поля на акустическую релаксацию в нематических жидких кристаллах,- Дисс... канд. физ.-мат, наук: М., 1977. 224 л ил,

23. Кожевников E,H., Чабан И.A, Распространение звука в нематиАкуст. ж., 1978, 24, №3, с 363-371. ческом жидком кристалле, вблизи перехода его в изотропную фазу,

24. Кожевников Е.Н,, Чабан И,А. Распространение звука вблизи перехода изотропная жидкость- нематический жидкий кристалл.Акуст. ж., 1975, 21, №3, с, 421-431. 57. J/eiQCii <S, MithHo6u (Зшссгг/ X i л с (s i*. J/.e4«a4i<p PAases, J. fiAy£, il, e HOH<en£( СИ Hemttcs.—euf. /s.ie. SiJ, p. <?6Л Ыбг.

25. Уокер Молекулярная акустика и конформационные превращения,В кн.: Внутреннее вращение молекул. /Под ред, Орвилл-Томаса Д. М,: Мир, 1977, 235-266,

26. Покровский В.Н. Статистическая механика разбавленных суспензий,- М,: Наука, 1978.

27. Покровский В.Н. К теории релаксационных процессов в молекулярных жидкостях и жидких кристаллах.- ЖЗТФ, 1976, 71, №5(11), с I880-I892.

28. Ковшик А.П, Оптическая анизотропия и диэлектрическая релаксация нематических жидких кристаллов./ Дисс... канд. физ,-мат. наук: Л., 1976. 119 л ил. 65. Жук И,П., Головичер Л.Е. Диэлектрические характеристики нематических жидких кристаллов H-2I, Н-22.- Вестник А БССР, 1978, Н №2, с 90-93.

29. Григорьев С Б Михайлов И.Г., Хакимов О.Ш. Измерение сдвиговых вязкоупругих СВОЙСТВ некоторых жидкостей,- Акуст. ж., 1974, 20, Ш, с 44-48. 68. <<§S c cw/ T, /t4R$o(* еха-гск efiseo/j

30. Боровиков A.Б. Измерение вязкости сред с помощью сдвиговых колебаний плоских пьезорезонаторов.- ПТЭ, №1, 1976, с 184-185.

31. Табидзе А.А., Казаков Р.Х. Ультразвуковой высокочастотный измеритель комплексного модуля сдвига,- Измерительная техника, 1983, Ш, с 34-36.

32. Кошкин Н.И., Табидзе А.А., Казаков Р.Х. Методика измерения ориентационной вязкости жидких кристаллов на высоких ультразвуковых частотах.- В кн.: Труды 8-ой научно-техничесвой конференции по информационной акустике. М., 1982.

33. МалоЕ В.В. Пьезоэлектрические датчики.- М.: Энергия, 1978.

34. Глюкман Л.И. Пьезоэлектрические кварцевые резонаторы.- М.: Радио и связь, I98I.

35. Зайдель А.Н. Ошибки измерений физических величин.- Л.: Наука, 1974.

37. Табидзе А.А,, Кошкин Н.И., Новоселов В.И. Ультразвуковой низкочастотный .измеритель вязкости жидкостей.- Измерительная техника, I98I, №12, с 59-61.

38. Кошкин Н.И., Табидзе А.А., Новоселов В.И. Ультразвуковой измеритель импеданса жидкостей.- В кн.: Труды 5-ой научно-технической конференции по информационной акустике. М., 1980, с. 128-130.

39. Мартынов В.А., Райков В.А. Кварцевые резонаторы.- М.: Сов. радио, серия ЭРА, 1976, !Ю6.

40. Чабан И,А. Виброгидродинамическая неустойчивость жидких кристаллов.- Акуст. ж., 1978, г4, №2, с 260-270.

41. Цветков В.А., Береснев Г.А. Вискозиметр для измерения коэффициентов вязкости жидких кристаллов.- ПГЭ, 1977, №5, с.223-225.

42. Пугачевич П.П., Токарев А.Г. Авторское свидетельство J,»27I092 от 27.09.1

43. Бюллетень изобретений Ж 7 1970.

44. Аглерик 10.Б., Кренцель Б.А, Химия жидкг-к кристаллов и мезоморфных полимерных систем.- М.: Химия, I98I.

45. Болотин Б.М., Лосева М.В. Связь строения органических соединений с их мезогенными свойствами.- В кн.: Жидкие кристаллы. /Сб. статей под ред. ]1щанова С И М.: Химия, 1979, с. 9-33. 88. Mo/yJo. laivaS,T e-eStA гкем-е

46. Базара M., Шетти К. Нелинейное прогрш.ширование. Теория и алгоритмы.- М.: Мир, 1982.

47. Форстер Д. Гидродинамические флуктуации, нарушенная сигжетрия и корреляционные фушщии.- М.: Атомиздат, 1980. 92. /CnuHiLfta Y. e- of. </te>nHz-ot //-f/tspttc a/soK/yctf сш cCfeSnp o MetbftK yifc c-cfs/ieei/f Де с1м:

48. Анисимов M.A., Воронов В.П., Кияченко Ю.Ф., Меркулов В.М. Универсальное поведение поглощения и дисперсии скорости звука в нематических жид1а1х кристалла::.- В кн.: Труды 5-ой конферен49. Миха11Л0В Й.Г., Соловьев В.А., Сырников 10.П. Основы молекулярной акустики,- М.: Наука, 1964.

50. Цветков В.Н., Эскин В.Е. Акустическое двойное лучепреломление и время релаксации жидкостей.- Ji3To), 1948, 18, 7, с. 614-621.

51. Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей.- М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1959, гл.4. }ЕИДКИМ кристаллам. Одесса, 1983,