Исследование ориентационной релаксации жидких кристаллов в изменяющихся магнитных полях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

на правах рукописи

Кузнецов Вячеслав Сергеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ОРИЕНТАЦИОННОЙ РЕЛАКСАЦИИ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ В ИЗМЕНЯЮЩИХСЯ МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ

Специальность 01 04 07 - физика конденсированного состояния

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2007

003160579

Работа выполнена на кафедре общей физики Московского государственного областного университета

Научный руководитель- доктор физико-математических

наук, профессор Богданов Д J1

Официальные оппоненты. доктор физико-математических

наук, профессор Дадиванян А К

кандидат физико-математических наук, доцент Вековищев M П

Ведущая организация1 Московская государственная академия

приборостроения и информатики

Защита диссертации состоится «1» ноября 2007 г в 1500 час на заседании диссертационного Совета Д 212 155 07 по присуждению ученой степени доктора физико-математических наук в Московском государственном областном университете по адресу 105005, Москва, ул Радио, д 10-а

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного областного университета

Автореферат разослан «29» сентября 2007 г

Ученый секретарь диссертационного Совета доктор физ -мат наук, профес-

сор

Баринова M Ф

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Ориентационно упорядоченные конденсированные системы, жидкие кристаллы, представляют повышенный интерес как для фундаментальных, так и для прикладных исследований

Экспериментальные и теоретические исследования физико-химических свойств жидких кристаллов (ЖК) продолжают оставаться активно развивающейся областью физики конденсированного состояния, что обусловлено несколькими причинами во-первых, уникальным сочетанием в ЖК свойств, характерных для классических жидкостей и для кристаллических тел, во-вторых, их широким использованием в системах записи, отображения, обработки и хранения информации

Для осуществления целенаправленного синтеза новых жидкокристаллических соединений с заданными вязкоупругими и акустоэлектрическими свойствами необходима информация о теплофизических и релаксационных параметрах имеющихся соединений Молекулярно-статистические модельные расчеты также требуют экспериментальной проверки

Исследования ориентационных явлений в жидких кристаллах с различным знаком анизотропии диэлектрической проницаемости в изменяющихся во времени и пространстве внешних полях представляют интерес для уточнения динамики процессов межмолекулярного взаимодействия, связанных с переориентацией директора в макроскопических образцах, а также являются эффективным средством изучения их внутренней структуры

Одной из отличительных особенностей жидких кристаллов является их способность заметно изменять свою структуру под действием внешних электрических и магнитных полей, которые являются причиной возникновения анизотропии ряда физических свойств ЖК

На регистрации изменений данных анизотропных свойств основано множество методов исследования ориентационных процессов в ЖК магнитно-резонансный метод, рентгено-структурный, метод рассеяния нейтронов, оптический и др

Для изучения влияния внешних электрических и магнитных полей на структуру ЖК необходимо проводить исследования в достаточно больших образцах ЖК, которые подвержены лишь незначительному влиянию ограничивающих поверхностей Линейные размеры таких образцов должны значительно превышать магнитную длину когерентности

В этом случае наиболее подходящими являются методы акустической и диэлектрической спектроскопии, позволяющие изучать объемные свойства мезо-фазы, без искажений ориентационной структуры, вызываемых ограничивающими поверхностями, в широком временном и температурном интервалах Кроме того

данные методы исследований имеют чрезвычайно широкий частотный диапазон от 102 — 109 Гц Такая способность к широкому варьированию параметром ш тт, где ш - частота, тт - время релаксации то-го процесса, незаменима при изучении релаксационных свойств ЖК

Анизотропное поглощение ультразвука и анизотропия диэлектрической поляризации, регистрируемое в экспериментах, содержит информацию не только о быстрых внутримолекулярных процессах, но и о процессах медленной ориентаци-онной релаксации

Ультразвуковые и диэлектрические измерения, зондирующие ориентаци-онную структуру объемных жидкокристаллических образцов, позволяют исследовать поведение жидких кристаллов в изменяющихся внешних полях Динамика ориентации жидких кристаллов в таких полях, в частности, ее релаксационные параметры, в свою очередь, дают возможность определить диамагнитные, диэлектрические и реологические параметры жидких кристаллов при различных температурах и давлениях

Поэтому актуальной задачей физики конденсированного состояния ЖК и их растворов является изучение кинетики и термодинамики ориентационных эффектов и процессов межмолекулярной перестройки в широких временном и температурном интервалах

С учетом решаемых в работе задач, объектами исследования выбраны нематические жидкие кристаллы как с положительной, так и с отрицательной анизотропией диэлектрической проницаемости Ае ~ ец — е± с широкими температурными интервалами существования мезофазы ЖК-1282 (Ту = 253,1К, Тс = 335,1К, Ае > 0), который состоит из алкоксицианбифенилов (80% массовой доли), эфира Демуса (16%) и эфира Грея (4%), и ЖК-440 (Т} = 265,7К, Тс = 344,5 345,ЬК, Ае < 0), представляющий собой смесь изомеров п-н-бутил-п-метоксиазоксибензола (БМОАБ) и н-бутил-п-гептаноилоксиазоксибензола (БГО-АБ) в соотношении (2 1)

Цель работы. Основной задачей диссертации является экспериментальное исследование динамики ориентационных процессов нематических жидких кристаллов (НЖК) с положительной и с отрицательной анизотропией диэлектрической проницаемости в поли- и монодоменных образцах больших объемов акустическим методом и методом радиодиэлектрической спектроскопии под действием изменяющихся полей

Решение этой задачи включает

- создание компьютерного измерительного комплекса и совершенствование методики изучения релаксационных свойств НЖК во вращающихся и пульсирующих магнитных полях при изменяющихся термодинамических параметрах состояния и индукций магнитного поля,

- измерение анизотропных акустических и диэлектрических параметров НЖК в образцах, ориентированных статическим магнитным полем с различной ориентацией и величиной магнитной индукции в широком температурном интервале в условиях варьирования частотой внешних акустических и электрических возмущений

- экспериментальное исследование методами акустической и диэлектрической спектроскопии динамики ориентационных изменений в моно- и полидоменных образцах НЖК при воздействии пульсирующих и вращающихся магнитных полей

- сопоставление длительностей ориентационных процессов, исследованных методами акустической и диэлектрической спектроскопии в образцах НЖК с положительной и отрицательной анизотропией диэлектрической проницаемости

- проведение теоретического анализа экспериментальных данных на основе существующих теорий жидкокристаллического состояния вещества

Научная новизна работы состоит в том, что

- усовершенствованы методики исследования ориентационных явлений в пульсирующих и вращающихся магнитных полях акустическим методом и методом диэлектрической спектроскопии и создан компьютерный измерительный комплекс, позволяющий автоматизировать процесс проведения эксперимента

- получены экспериментальные данные, характеризующие динамику поведения НЖК в пульсирующих и вращающихся магнитных полях в широком температурном интервале существования мезофаз при различных индукциях магнитного поля

- исследовано влияние температуры и индукции магнитного поля на времена ориентационной релаксации в полидоменных и монодоменных образцах НЖК с положительной и отрицательной анизотропией диэлектрической проницаемости

- проведено сопоставление результатов измерения времени релаксации ориентационной структуры во вращающемся и пульсирующем магнитном поле, полученных акустическим методом и методом диэлектрической спектроскопии

- выполнен анализ экспериментальных данных, установлена связь между временными изменениями диэлектрической проницаемости, коэффициента поглощения ультразвука и параметрами ЖК, определяющими их динамические свойства

Практическая ценность. Созданный компьютерный измерительный комплекс позволяет использовать разработанные методики проведения исследований динамических свойств широкого класса анизотропных жидкостей в статических и переменных магнитных полях методами акустической и диэлектрической спектроскопии Полученные экспериментальные результаты позволяют определить физические параметры, характеризующие кинетику молекулярных процессов, межмолекулярные взаимодействия, связи молекулярной структуры с акустическими и диэлектрическими характеристиками НЖК и их смесей, а также являются основой для дальнейшего совершенствования теории динамических свойств НЖК Доказана высокая информативность применения метода диэлектрической спектроскопии для исследования динамики ориентационных процессов в поли- и монодоменных образцах НЖК в малых объемах вещества Полученные численные значения параметров НЖК (анизотропия диэлектрической проницаемости и поглощения ультразвука, времена ориентационной релаксации, коэффициента вращательной вязкости) могут быть использованы при составлении таблиц справочных данных по акустическим и диэлектрическим свойствам мезоморфных жидкостей, необходимых при разработке новых технических устройств, использующие ЖК в качестве рабочих тел и реализующих анизотропные акустические и диэлектрические свойства мезоморфных жидкостей Автор защищает:

- результаты методических и конструкторских разработок, позволяющих изучать динамику ориентационных процессов в моно- и полидоменных образцах НЖК с положительной и с отрицательной анизотропией диэлектрической проницаемости методами акустической и радиодиэлектрической спектроскопии,

- результаты экспериментальных исследований влияния статических и переменных магнитных полей на акустические и диэлектрические параметры и времена ориентационной релаксации нематических жидких кристаллов ЖК-1282 и ЖК-440,

- результаты анализа экспериментальных данных и расчетов материальных коэффициентов ЖК-1282 и ЖК-440

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры, научных конференциях преподавателей и студентов

МГОУ, г Москва, 2005, 2006, 2007 г, Международной научно-практической конференции "Современные направления теоретических и прикладных исследований '2007", г Одесса, 2007 г, II научной конференции молодых ученых Регионального научно-образовательного центра по наноматериалам "Жидкие кристаллы и на-номатериалы", г Иваново, 2007 г

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения Общий объем диссертации 147 страниц машинописного текста, включая 45 рисунков, 30 таблиц и список литературы, содержащий 128 наименований

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы основные цели и задачи, показана практическая ценность и научная новизна полученных результатов, изложены защищаемые положения Первая глава посвящена литературному обзору теоретических и экспериментальных работ по исследованию релаксационных процессов в НЖК, находящихся под действием статических и переменных магнитных полей Проанализирована связь данных процессов с диэлектрическими и акустическими свойствами и молекулярно-кинетическими параметрами НЖК Показана возможность изучения быстрых и медленных релаксационных процессов в переменных магнитных полях на основе измерения таких анизотропных параметров ЖК как коэффициент поглощения ультразвука и диэлектрическая проницаемость

Анализ литературных данных позволил сформулировать физическую задачу настоящей работы, обосновать выбор объектов исследования и определить методический подход при решении поставленной задачи

Объектами исследования выбраны НЖК с положительной (ЖК-1282) и с отрицательной (ЖК-440) анизотропией диэлектрической проницаемости, имеющие значительный температурный интервал существования нематической фазы и обладающие достаточно большими значениями анизотропии акустических и диэлектрических параметров

Исследования образцов НЖК проводились методами акустической и диэлектрической спектроскопии, которые являются достаточно чувствительными к изменению молекулярных и межмолекулярных свойств вещества Во второй главе дается описание методики исследования релаксационных и динамических свойств объемных образцов анизотропных жидкостей в статических, пульсирующих и вращающихся магнитных полях в широком температурном диапазоне на основе методов акустической и диэлектрической спектроскопии

Сформулированы основные требования, предъявляемые к узлам экспериментальных установок

Представлены структурные схемы экспериментальных установок и системы термостатирования, эскизы акустической и диэлектрической измерительных ячеек

Изложена методика проведения экспериментов, основанная на измерении времени релаксации т изменяющегося (в результате воздействия переменного магнитного поля) анизотропного параметра НЖК (комплексной диэлектрической проницаемости и коэффициента поглощения ультразвука)

Приведено описание логики работы компьютерного измерительного комплекса по исследованию динамических свойств анизотропных жидкостей в статических и переменных магнитных полях, который вместе с набором экспериментальных установок представляет собой программно-аппаратный комплекс управления ходом эксперимента, организации сбора, хранения и обработки данных экспериментальных измерений

Проанализированы погрешности прямых и косвенных измерений Относительные погрешности измерения анизотропии коэффициента поглощения ультразвука Да//2, действительной е' и мнимой е" части диэлектрической проницаемости и суммарная погрешность определения времени ориентационной релаксации г в статическом, вращающемся и пульсирующем магнитных полях представлены в таблице 1

Таблица 1

_Погрешности измеряемых параметров_

параметр статическое вращающееся пульсирующее

А а /2 3 4% 3 4% 2 7%

Т 4 7% 4 7% 10 13%

е' 0,8% 0,8% 0,8%

е" 7,1% 7,1% 7,1%

Погрешность измерения фазового сдвига между директором и вектором магнитной индукции составляет менее 1° Достоверность полученных в работе экспериментальных данных подтверждается контрольными измерениями В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований акустических и диэлектрических свойств ЖК-1282 и ЖК-440 в статических, пульсирующих и вращающихся магнитных полях

Измерения диэлектрических параметров проводились в интервале частот 0,1 6,3 МГц, акустических параметров - 2 16 МГц при температурах от 275 К до 348 К в условиях атмосферного давления В экспериментах по исследованию поведения НЖК в пульсирующих магнитных полях величина индукции магнитного поля находилась в интервале 0,03 0,33 Тл, а в экспериментах по изучению реакции НЖК на воздействие статических и вращающихся магнитных полей составляла величину 0,28 Тл

Рис 1 Температурная зависимость коэффициента поглощения ультразвука а±//2 в образце ЖК-1282

Рис 2 Температурная зависимость анизотропии поглощения Да в образце ЖК-1282 Расчетные данные (ф) - 2,4 МГц, (□) -6,3 МГц Экспериментальные данные (х) -6,3 МГц, (+) - 2,4 МГц

Рис 3 Температурная зависимость действительной части е'диэлектрической проницаемости ЖК-1282 £=1МГц, Р=0,1МПа

Рис 4 Температурная зависимость мнимой части е"диэлектрической проницаемости ЖК-1282 Г=1МГц, Р=0,1МПа

Получены экспериментальные значения действительной и мнимой частей комплексной диэлектрической проницаемости и их анизотропии и снята угловая зависимость в ориентированных статическим магнитным полем образцах ЖК с положительной анизотропией диэлектрической проницаемости (ЖК-1282) и с отрицательной анизотропией диэлектрической проницаемости (ЖК-440) в интервале температур от 275 К до 348 К на частотах от 1 кГц до 6,3 МГц при атмосферном давлении

Получены экспериментальные значения анизотропии коэффициента поглощения ультразвука и снята угловая зависимость в ориентированных статическим магнитным полем нематических жидких кристаллах ЖК-1282 и ЖК-440 в интервале температур от 275 К до 348 К на частотах от 2 до 16 МГц при атмосферном давлении

О 0.05 0 1 015 0.2 0.2S 0.Л В ТЛ

Рис 5 Индукционная зависимость диэлектрической проницаемости е для ЖК-1282 Т=304К, f=lMIX Р=0,1МПа

Т«2?5К. Р«01МГ.»

О 1СЮ 200 300 400 5GO 600 700 ВМ 900 1000 t,c

Рис 7 Временная зависимость относительного изменения коэффициента поглощения и диэлектрической проницаемости при наложении магнитного поля

3.5

О O.OS 01 01Б 0 2 0.25 0.3 В Тл

Рис 6 Индукционная зависимость коэффициента поглощения ультразвука для ЖК-1282 Т=304К, £=6,ЗМГц, Р=0,1МПа

Рис 8 Временная зависимость относительного изменения коэффициента поглощения и диэлектрической проницаемости после снятия магнитного поля

7"° £ <4, <j||ft

/п

1 i

/

<

N Х~ (S J.Í)

Представлены частотные и температурные зависимости действительной и мнимой частей комплексной диэлектрической проницаемости и анизотропии коэффициента поглощения ультразвука в ориентированных и неориентированных образцах НЖК

Приведена индукционная зависимость анизотропии коэффициента поглощения ультразвука и диэлектрической проницаемости

Представлены результаты измерения временных зависимостей анизотропии коэффициента поглощения ультразвука и диэлектрической проницаемости при параллельной ориентации волнового вектора и вектора напряженности магнитного поля

Получены временные зависимости изменения коэффициента поглощения ультразвука при углах между волновым вектором и вектором магнитной индукции 0°, 10°, 20°, 30°, 40°, 50°, 60°, 70°, 80°, 90° при температурах 298 К и 325 К

В четвёртой главе проводится анализ результатов экспериментальных исследований с точки зрения существующих теоретических представлений об ориента-ционной динамике НЖК

Анализ индукционной зависимости диэлектрической проницаемости и коэффициента поглощения ультразвука позволил осуществить выбор геометрии экспериментов по исследованию ориентационной релаксации в изменяющихся магнитных полях и величину напряженности магнитного поля Н Выбранное значение 0,28 Тл находится в интервале индукций насыщения как для диэлектрической проницаемости, так и для коэффициента поглощения ультразвука, что свидетельствует о формировании монодоменного образца ЖК, линейные размеры которого значительно превышают магнитную длину когерентности Выбор геометрии экспериментов осуществлялся по наибольшему изменению анизотропных параметров от неориентированного состояния к монодоменному образцу, что для измерений коэффициента поглощения ультразвука соответствует взаимной ориентации Н\\К, а для диэлектрической проницаемости - Н _L Е

Установлено, что угловые зависимости действительной е' и мнимой е" частей комплексной диэлектрической проницаемости хорошо описываются соотношениями

е'(в) = е'х + Ае' cos2 в,

£"(в) = е1 + Ае" cos2 в,

где в - угол между магнитным и электрическим полем, Ае', Ае" - анизотропии соответственно действительной и мнимой частей комплексной диэлектрической проницаемости Угловая зависимость коэффициента поглощения ультразвука имеет характерный для НЖК вид а(в) = а + b cos2 в + с cos4 в

Для анализа экспериментальных исследований временных изменений комплексной диэлектрической проницаемости в пульсирующем магнитном поле предложена модель, связывающая динамику диэлектрической проницаемости с релаксацией ориентационной структуры Показано, что временные изменения диэлектрической проницаемости определяются двумя характерными временами то и тп

А 4(i)

3 2

1 -

I m

1 -K{t)

arctan >

h-K{t) Kit)

1 - K(t)

где

K(t) = exp

-- f&r,o) Tn

■ exp

21 Ax H2 7i

f(t,ro)

При снятии магнитного поля имеет место обратный процесс релаксации ем(£) от значения ем, соответствующего монодоменному образцу, к значению £о, соответствующему полностью разориентированному образцу Данный релаксационный процесс удовлетворительно описывается экспоненциальным соотношением

Ле11 = Ае\Ы е

причем характеристическое время тв не зависит от индукции магнитного поля и при атмосферном давлении зависит только от температуры По значениям тв можно оценить время, в течение которого происходит практически полная разори-ентация образца НЖК Для ЖК-1282 при атмосферном давлении и температуре 296 К это время составляет 9,5 102 с, для ЖК-440 - 12 102 с

Экспериментальные исследования в пульсирующих магнитных полях позволяют получать результаты, качественно согласующиеся с предсказаниями теории Однако количественное согласие в значительной мере ограничивается степенью соответствия условий эксперимента тем допущениям и ограничениям, которые присущи используемой модели, недостаточно полно отражающей сложный характер кинетики процессов и степень влияния дефектов ориентационной структуры

На основе данных экспериментов в пульсирующем и вращающемся магнитных полях из соотношения тп = 71/(Ах Н2) рассчитана величина отношения г вращательной вязкости к анизотропии диамагнитной восприимчивости 71/ Обнаружено качественное согласие результатов расчетов, основанных на экспериментальных данных, полученных методами диэлектрической и акустической спектроскопии

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1 Разработан и создан компьютерный исследовательский комплекс для изучения релаксационных свойств анизотропных сред в образцах больших объемов в статических и изменяющихся магнитных полях на основе измерения акустических и диэлектрических параметров НЖК

2 Получены экспериментальные значения комплексной диэлектрической проницаемости, коэффициента поглощения ультразвука и их анизотропии в ориентированных статическим магнитным полем нематических жидких кристаллах с положительной (ЖК-1282) и с отрицательной (ЖК-440) анизотропией диэлектрической проницаемости в интервале температур от 275 К до 348 К на частотах от 1 кГц до 16 МГц при атмосферном давлении

3 Проанализирована задача поведения анизотропии диэлектрической проницаемости в пульсирующем магнитном поле с учетом собственного времени

нарастания магнитного поля Определены времена релаксации ориентации при наложении магнитного поля и при его снятии Установлена их зависимость от температуры и индукции магнитного поля Определено отношение вращательной вязкости к анизотропии диэлектрической восприимчивости

4 Впервые проведены комплексные исследования поведения акустических и диэлектрических параметров НЖК в изменяющихся магнитных полях Экспериментально подтверждено согласие времен ориентационной релаксации полученных для поли- и монодоменных образцов Установлено количественное соответствие экспериментальных данных и результатов численных расчетов

5 Проведенный анализ фазовых и временных зависимостей анизотропных параметров НЖК в переменных магнитных полях, выполненный в предположении о влиянии релаксации поля ориентации на тензор напряжений, показал качественное, а в некоторых случаях и количественное согласие теории с экспериментом

Анизотропия низкочастотного коэффициента поглощения ультразвука обусловлена, в основном, анизотропией объемных вязкостей, связанных со структурной (т„) релаксацией и релаксацией параметра порядка (т8), времена которых лежат в мегагерцовой области (т„ ~ 10-8с), (г, ~ Ю-5 10_6)

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1 Кузнецов В С Влияние пульсирующего магнитного поля на анизотропию диэлектрической проницаемости НЖК-1282 //М МГОУ, 2006 - 8 с - Деп в ВИНИТИ №1631-В2006

2 Кузнецов В С Исследование ориентационных свойств ЖК-1282 в пульсирующем магнитном поле //М МГОУ, 2006 - 11 с - Деп в ВИНИТИ №1632-В2006

3 Богданов Д Л , Геворкян Э В , Кузнецов В С Акустические свойства жидких кристаллов в изменяющихся магнитных и электрических полях и вращательная вязкость // Вестник МГОУ Физика М МГОУ, 2007 - № 2 - с 54-58

4 Кузнецов В С Акустические исследования ориентационной релаксации нема-тических жидких кристаллов в пульсирующем магнитном поле / Сб научных трудов Международной научно-практической конференции "Современные направления теоретических и прикладных исследований '2007" Том 21 Физика и математика - Одесса Черноморье, 2007 - с 67-69

5 Кузнецов В С , Богданов Д Л , Геворкян Э В Диэлектрические и акустические свойства НЖК с положительной и отрицательной анизотропией диэлектрической проницаемости в пульсирующих магнитных полях //ЖТФ, 2007 В печати

6 Богданов Д Л , Геворкян Э В , Кузнецов В С Анизотропия коэффициента поглощения ультразвука в ЖК-1282 в пульсирующем магнитном поле / Тез докл II научной конференции молодых ученых Регионального научно-образовательного центра по наноматериалам "Жидкие кристаллы и нанома-териалы" - Иваново, 2007 - с 89

Подписано в печать 27 09 2007 г Заказ № 241 Бумага офсетная Гарнитура "Times New Roman" Формат бумаги 60/84 1/1в Уел печ л 0 88 Тираж 100 экз

Отпечатано в Издательстве МГОУ „Сигналъ" с готового оригинал-макета 105005, г Москва, ул Радио, д 10-а, тел 265-41-63, факс 265-41-62