Микрополосковые измерительные резонаторы в исследованиях диэлектрических свойств жидких кристаллов и биополимеров на сверхвысоких частотах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

I I

' (

На правах рукописи

I /,. V

I У, V '' ' ^ л- - ■ V ■

Шепов Владимир Николаевич

МИКРОПОЛОСКОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ РЕЗОНАТОРЫ В ИССЛЕДОВАНИЯХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ И БИОПОЛИМЕРОВ НА СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТАХ

01.04.01. - Приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Красноярск 2000

Работа выполнена в Институте физики им. Л.В. Киренского СО РАН

Научные руководители:

Б.А.Беляев доктор технических наук

H.A. Дрокин кандидат физико-математических наук

Официальные оппоненты: П.И. Белобров В.М. Владимиров

доктор физико-математических наук кандидат физико-математических наук

Ведущая организация:

Томский Государственный Университет им. В.В. Куйбышева, г.Томск

Защита состоится « 15 » декабря 2000г. в 14 часов на заседании диссертационного совета К 002.67.02 Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН по адресу: 660036, г. Красноярск, Академгородок, Институт физики.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФ СО РАН.

Автореферат разослан

« 10 » ноября 2000 г.

ъъы. ЧЪ<^0

оз

Ученый секретарь Диссертационного совета К 002.67.02 Кандидат физико-математических наук

А.Н. Втюрин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Днэлькометрия, как известно, является одним из мощных инструментов исследования молекулярной структуры веществ. В частности, исследования комплексной диэлектрической проницаемости жидких кристаллов (ЖК) в радиочастотном диапазоне позволяют определить типы релаксационных движений молекул в мезофазе, времена релаксации и другие важные характеристики ЖК. •

■ Исследования диэлектрической проницаемости за областью релаксации, в дециметровом диапазоне длин волн (когда молекулы уже нельзя рассматривать как жесткие стержни), представляют особый интерес, так как в этом частотном диапазоне могут проявляться внутримолекулярные движения как в ЖК, так и в более высокомолекулярных соединениях, таких, как биополимеры. . ..... .........

Однако в этом диапазоне длин волн данных по диэлектрическим характеристикам ЖК и биополимеров недостаточно [1-3]. Это объясняется трудностями проведения эксперимента в дециметровом диапазоне волн, где датчики на сосредоточенных элементах уже не работают, а электродинамические системы с распределенными параметрами (коаксиальные,, и, тем более, волноводные) имеют большие размеры, вследствие чего требуется большой объем измеряемого вещества, иначе малый коэффициент заполнения устройства ухудшает точность измерений. Это является одной из причин того, что сверхвысокочастотные (СВЧ) методы практически не использовались при исследовании жидких кристаллов и биополимеров. Поэтому задача разработки прибора для исследования диэлектрических характеристик в дециметровом диапазоне длин волн и выявление особенностей поведения высокочастотной диэлектрической проницаемости жидких кристаллов и биополимеров является актуальной на сегодняшний день.

Целью данной работы явилось:

I.. Разработка измерительных микрополосковых резонаторов для исследования комплексной диэлектрической проницаемости жидких кристаллов и биополимеров в дециметровом диапазоне длин волн.

2. Исследование действительной и мнимой компонент диэлектрической проницаемости нематических жидких кристаллов группы алкилциано-бифенилов в дециметровом диапазоне длин волн.

3. Исследование высокочастотной диэлектрической проницаемости биополимера полиоксибутирата и его сополимеров в твердом состоянии и в растворах в хлороформе.

Научная новизна: 1, Разработаны высокочувствительные микропо-лосковые измерительные резонаторы для исследования комплексной диэлектрической проницаемости жидких кристаллов и биополимеров в дециметровом диапазоне длин волн.

2. Экспериментально исследована область аномальной дисперсии диэлектрической проницаемости в нематических жидких кристаллах группы алкилцианобифенилов (5СВ, 7СВ, 8СВ) в дециметровом диапазоне длин волн. Показано, что частота дисперсионной области не зависит от длины алкильных цепей. Амплитуда же дисперсионной области" максимальна для 5СВ, имеющего меньшее число алкильных групп и более высокую частоту релаксации. При повышении температуры в нематической фазе ЖК частота дисперсионной области не изменяется, амплитуда же увеличивается, проявляя критический рост при фазовом переходе нематик- изотропная жидкость.

3. Показано, что дополнительная дисперсионная область проявляется и в растворах жидких кристаллов в бензоле.

4. В жидких кристаллах группы алкилцианобифенилов обнаружено смешение частоты "повторной смены знака диэлектрической анизотропии относительно вычисленной на.основе дебаевского процесса релаксации.

5. В пленках биополимера полиоксибутирата выявлено увеличение диэлектрической проницаемости с ростом температуры в дециметровом диапазоне длин воли.

6. Установлено, что значительные вариации диэлектрических инкрементов и соответствующих им средних дипольных моментов связаны со средними молекулярными массами биополимера полиоксибутирата.

Практическая значимость результатов. Разработанные высокочувствительные измерительные микрополосковые резонаторы для исследования комплексной диэлектрической проницаемости позволяют проводить- электрополевые, температурные, частотные, релаксационные и др. исследования жидкостей, и в частности, жидких кристаллов и биополимеров. Созданная экспериментальная установка на базе микрополосковых измерительных резонаторов может использоваться для исследования диэлектрической проницаемости растворов различных концентраций, гелей и других конденсированных сред.

Экспериментально обнаруженная повторная смена знака диэлектрической анизотропии ЖК может быть использована при разработке жидкокристаллических устройств в СВЧ диапазоне.

Отсутствие дисперсии диэлектрической проницаемостй биополимера полиоксибутирата в интервале частот электромагнитного поля от 10 МГц до 10 ГГц и довольно высокая температурная стабильность диэлектрической проницаемости (А$'(Т)/ДТ=0.0005) в сочетании с малой величиной диэлектрической проницаемости (е'=2.2г2.24) и высокой температурой размягчения (Т=150-) 80 °С) говорит о перспективности использования полиоксибутирата в качестве защитного покрытия СВЧ плат.

На защиту выносятся:

1. Конструкции измерительных микрополосковых резонаторов для измерения действительной и мнимой компонент диэлектрической проницаемости жидких кристаллов и биополимеров в дециметровом диапазоне длин волн. *

2. Результаты экспериментального исследования области аномальной дисперсии диэлектрической проницаемости в нематических жидких кристаллах группы алкилцианобифенилов (5СВ, 7СВ, 8СВ) в дециметровом диапазоне длин волн, показывающие, что частота дисперсионной области не зависит от. длины алкильных цепей, амплитуда же дисперсионной области максимальна для 5СВ, имеющего меньшее число алкильных групп и более высокую частоту релаксации. При повышении температуры в нематической фазе ЖК частота дисперсионной области не изменяется, амплитуда же увеличивается, проявляя критический рост при фазовом переходе нематик- изотропная жидкость.

3. Обнаружение дополнительной дисперсионной области в отсутствии дальнего порядка в растворах жидких кристаллов в бензоле.

4. Обнаружение и исследование в жидких кристаллах группы алкилцианобифенилов смещения частоты повторной смены знака диэлектрической анизотропии относительно вычисленной на основе дебаевского процесса релаксации.

5. выявление в пленках биополимера полиоксибутирата увеличения диэлектрической проницаемости с ростом температуры в дециметровом диапазоне длин волн.

6. Установление корреляционной зависимости между диэлектрическими инкрементами и соответствующими им средними дипольными момен-

о •

тами со средними молекулярными массами биополимера полиоксибутирата.

Достоверность результатов подтверждается проверкой работы измерительных микрополосковых резонаторов на эталонных жидкостях, обсуждением результатов работы на всероссийских и международных конференциях, публикацией результатов диссертационной работы в рецензируемых журналах, а так же подтверждением обнаруженных эффектов другими авторами в более поздних работах.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены' и обсуждались на Всероссийской научно-практической конференции "Решетневскис чтения" (Красноярск, 1998г.), Всероссийской с международным участием конференции "Современные проблемы радиоэлектроники" (Красноярск, 1998г.), 8°" международной конференции "СВЧ техника и телекоммуникационные технологии" ( Севастополь, Украина', 1998г,), IV международной конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения'' (Новосибирск, 1998г.), 9"" международной конференции "СВЧ техника и телекоммуникационные технологии'" ( Севастополь, Украина, 1999г.), XIII Conference on Liquid Crystals (Krynica, Poland, 1999г.), 10°" международной конференции "СВЧ техника и телекоммуникационные технологии" ( Севастополь, Украина, 2000г.), V международной конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения" (Новосибирск, 2000г.) 18th international Liquid Crystal Conference (Sendai, Japan, 2000r.).

Публикации: Основные результаты диссертации изложены в 19 печатных работах, 7 из которых опубликованы в центральных журналах (ЖТФ, Письма в ЖЭТФ, ФТТ, Доклады АН, Биофизика).

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложения. Объем диссертации составляет 120 страниц, включая 57 рисунков, 4 таблицы и список литературы из 85 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ■ Во введении обосновывается актуальность темы, формулируются основные цели работы, отмечается научная новизна и практическая значимость результатов.

В первой главе проводится анализ методов измерения диэлектрической проницаемости (ДП) веществ. Показано, что для выявления структуры диэлектриков необходимо проводить измерения диэлектрической проницаемости в широком диапазоне частот (от 0 до 10'3 Гц) [4]. Однако такой широкий частотный диапазон нельзя охватить единым методом измерений. В каждом поддиапазоне частот существует свой предпочтительный метод. Особую трудность для измерения ДП представляет "переходная" область частот - дециметровый диапазон длин волн. Особенностью этого диапазона является то, что приборы, использующие измерительные ячейки на сосредоточенных элементах уже перестают работать, а электродинамические системы с распределенными параметрами (коаксиальные, и, тем более, волновод-ные) еще имеют большие размеры, вследствие чего требуется большой объем измеряемого вещества, иначе малый коэффициент заполнения устройства ухудшает точность измерений. Повышение точности измерений в этом частотном диапазоне может быть достигнуто применением измерительных мик-рополосковых резонаторов (ИМПР). Высокая миниатюрность измерительных микрополосковых резонаторов позволяет проводить измерения' с высокой точностью даже на небольших количествах исследуемого вещества.

Анализ известных конструкций измерительных микрополосковых"

>

резонаторов показал, что ИМПР с успехом используются для измерения диэлектрических свойств веществ с высокой диэлектрической проницаемостью (10< г <200). Однако для измерения малых значений ДП (2< е <10) чувствительности известных конструкций ИМПР оказывается недостаточно. Измерения же на частоте полюса затухания на амплитудно-частотной харак-

теристике в настоящее время затруднены из-за технических сложностей, так как глубина полюса достигает величины более 100 дБ.

Недостаток экспериментальных данных о частотной зависимости диэлектрической проницаемости жидких кристаллов в дециметровом диапазоне'дп^н волн не позволил предыдущим авторам ответить на вопрос: в каком частотном диапазоне проявляются искажения диаграмм Коул-Коула и чем они вызваны. Экспериментальные исследования частотной и температурной зависимостей диэлектрической проницаемости биополимеров поли-оксиалканоатов еще только начинаются (большинство работ по экспериментальному исследованию низкочастотной зависимостей диэлектрической проницаемости полиоксибутирата вышли из печати в 1998-1999гг.). Высокочастотные исследования еще не проводились. В связи с этим в данной работе бььгГи поставлены следующие задачи:

1. Разработать измерительные микроподосковые резонаторы для измерения комплексной диэлектрической проницаемости жидких кристаллов и биополимеров в дециметровом диапазоне длин волн.

2. Рассмотреть с помощью измерительных микрополосковых резонаторов ориентационные переходы в жидких кристаллах на сверхвысоких частотах.

3. Исследовать температурную и частотную зависимости высокочастотной комплексной диэлектрической проницаемости нематических жидких кристаллов группы алкилцианобифенилов.

4. Исследовать температурную и частотную зависимости диэлектрической проницаемость пленок биополимера полиоксибутирата.

5 Исследовать взаимосвязь диэлектрических констант сополимеров полиоксибутирата в растворах в хлороформе с их молекулярной структурой.

Вторая глава диссертации посвящена разработке высокочувствительных измерительных микрополосковых резонаторов для измерения ком-

плексной диэлектрической проницаемости жидких кристаллов и биополиме-. ров. Прототипом для кольцевого микрополоскового измерительного резонатора служил высокочувствительный объемный резонатор, представляющий собой два металлических полых цилиндра, вставленных друг в друга [5]. Для того чтобы обеспечить однородность высокочастотного электрического поля в измерительной ячейке, она выполнялась в виде плоскопараллельных пластин, припаянных перпендикулярно к плоскости подложки. Показано, что микрополосковые измерительные резонаторы, включенные в автогенераторную схему, показывают высокую эффективность за счет непрерывной регистрации частоты и амплитуды резонанса при измерении фазовых переходов нематик - изотропная жидкость, а также при измерении частотных зависимостей диэлектрической проницаемости ЖК в электрических и магнитных полях. Относительная погрешность измерений диэлектрической проницаемости жидких кристаллов (Ав /е)* 100% на разработанных микрополосковых измерительных резонаторах составила 1%.

Для исследования диэлектрической проницаемости биополимеров был рассчитан и изготовлен измерительный микрополосковый резонатор, использующий принцип максимальной раздвижки резонансных частот. Топология его металлических проводников показана на рис. 1.

ь,,Е,

ТБНС (с - 80) Флан (Е = 2.8) ' ТБНС (£ = 80)

Рис. 1.. Топология металлических проводников составного микрополоскового измерительного резонатора со скачком волнового сопротивления.

Сх- измерительная емкость, состоящая из вертикально припаянных пластин размером 2x2 мм. с зазором 100 м'км.

10

Низкоомные участки измерительного микрополоскового составного резонатора выполнялись на керамике ТБНС (г -80), высокоомные - на поликоре (е -9.6). . •

Проведенный расчет резонансных частот составного ИМПР показал, что нижняя о\, (Сх=со) и верхняя сов (Сх=0) гранищ>1 полосы частот антисимметричных колебаний резонатора являются корнями уравнений:

(Г)

с С

Ъ (— (— )= - I1-. (2)

С С ¿х

Из (1) следует, что при увеличении скачка волнового сопротивления, т.е. при 0 нижняя граница полосы частот шн стремится к нулю. При

этом верхняя граница полосы перестройки частот основного колебания сав (2) лишь незначительно понижается. Следовательно, увеличение полосы перестройки частот первой моды резонатора достигается за счет увеличения скачка волнового сопротивления, т.е. при -> 0.

На рис. 2.построены экспериментальные частотные зависимости первых двух мод резонатора, показанного на рис. 1, от емкости измерительной ячейки. Ширина полосы перестройки частот первой моды колебаний является также функцией относительной длины низкоомного и высокоомно-го отрезков резонатора.

Из формул (1) и (2) следует, что при любом соотношении ширина перестройки максимальна при 0, - 02. Таким образом, для достижения максимального коэффициента перестройки частоты измерительного резонатора необходимо иметь равенство электрической длины высокоомных и низкоомных участков и максимальный скачок волнового сопротивления.

Ь ГГц

1.2

_ мода_2

0.09 \ 0

О

0.3

0.6

0.9

20

40

60 80 Сх, Пф

Рис. 2. Частотные зависимости первых двух мод резонатора от емкости измерительной ячейки.

Произведена калибровка микрополосковых измерительных резонаторов и отлажена методика измерений. Относительная погрешность измерений диэлектрической проницаемости на разработанных микрополосковых измерительных резонаторах для биополимеров составила 0.1%.

В третьей главе показано применение разработанных измерительных микрополосковых резонаторов для исследования диэлектрической проницаемости жидких кристаллов.

Для того чтобы убедиться в правильности и точности показаний разработанных измерительных микрополосковых резонаторов, первоначально рассмотрена их работа на примере хорошо известных ориентационных фазовых переходов в жидких кристаллах с положительной и отрицательной диэлектрической анизотропией (5СВ и МББА). Изучено совместное влияние электрических и магнитных полей на действительную и мнимую компоненты высокочастотной диэлектрической проницаемости ЖК. Показано, что минимальным диэлектрическим потерям соответствует направление, при котором СВЧ электрическое ноле ориентировано параллельно длинным осям моле-

кул. Зафиксированы ориентационные переходы в ЖК 5СВ и МББА по изме-

нению действительной компоненты диэлектрической проницаемости на сверхвысоких частотах (Р - 600 МГц).

После того, как была показана правильность и высокая точность показаний разработанных мнкрополосковых измерительных резонаторов на примере хорошо известных ориентационных фазовых переходов Фредерикса, были исследованы частотные зависимости диэлектрической проницаемости и диэлектрической анизотропии жидких кристаллов группы алкилцианобифенилов в дециметровом диапазоне длин волн.

На разработанных ИМПР впервые детально были исследованы дл-электрические спектры для жидкого кристалла 4-п-пентил-4-цианобифенил (5СВ) в диапазоне частот от 50 до 500 МГц. Было обнаружено, что в окрестности 300 МГц наблюдаются отчетливо выраженные отклонения частотных спектров диэлектрической проницаемости от монотонных зависимостей дебаевского типа. Далее было показано, что такое же поведение диэлектрической проницаемости наблюдается и для других жидких кристаллов группы алкилцианобифенилов: 6СВ, 7СВ и 8СВ.

Типичные дисперсионные спектры с'ц(оэ) для образцов 5СВ, 7СВ, 8СВ в нематической фазе приведены на рис. 3, кривые 1-3. На кривой 1 показана точность определения е'(/) = е' ± 0,02.

Как видно, основной особенностью в диэлектрических спектрах является наличие дополнительной дисперсионной области с отчетливо выраженным максимумом в области 280 МГц и минимумом вблизи 350 МГц. Дальнейшие исследования показали, что при повышении температуры выявляются более высокочастотные немонотонные участки на частотах Г > 450 МГц, наиболее ярко проявляющиеся в изотропной фазе.

Обращает на себя внимание то, что обнаруженная область аномальной дисперсии в районе 300 МГц практически не испытывает частотных сдвигов при увеличении длины алкилыюй цепи для цианобифениловых се-

рий 5СВ, 7СВ, 8СВ. Однако влияние алкильных цепей отчетливо сказывается на уменьшении е'(а>) в интервале от 50 до 200 МГц.

Рис. 3. Частотная зависимость е'ц для жидких кристаллов 5СВ - (1), 7СВ - (2), 8СВ - (3), при Т - Тш - 5 (С), где Т„,- - температура фазового перехода нема- • тик-изотропная жидкость.

, Отметим, что "амплитуда" изменения диэлектрической проницаемости в области аномальной дисперсии 5£'=е'280 - е'350, измеренная между максимумом при 280 и минимумом при 350 МГц существенно больше для кристалла 5СВ, чем для 8СВ. Такая зависимость коррелирует с частотами релаксации, т.е. величина бе' увеличивается, когда ориентационная часть диэлектрического спектра приближается к этой области. При фазовом переходе нематик - изотропная жидкость проявляется критический рост "амплитуды" области аномальной дисперсии 5е'.

Влияние смещения ориентационного дисперсионного спада- на "амплитуду" области аномальной дисперсии 8г' подтверждается также при исследовании растворов жидких кристаллов группы алкилцианобифенилов в бензоле. При разрушении нсматического порядка бензолом амплитуда области аномальной дисперсии увеличивается,' частота же максимума и минимума не изменяется. При повышении концентрации бензола диэлектрическая проницаемость раствора уменьшается, однако дополнительная дисперсион-

пая обпасть на частотной зависимости действительной диэлектрической компоненты, видна даже в предельно разбавленных растворах. Кроме того, в поведении мнимой компоненты диэлектрической проницаемости в"(/) наблюдается отчетливо выраженный максимум в области 310 МГц.

В [ 1-3.6] отклонение диэлектрических спектров от дебаевского типа определялось при построении диаграмм Коула-Коула. Как правило, наблюдаемые высокочастотные искажения диаграмм описывались набором собственных релаксационных областей дебаевского типа, и действительная компонента диэлектрической проницаемости £'[)(й}) представлялась в виде:

■«'„(»)-«:. , £Уг \ ■ о»

1 + (О Т к

где с'к и тк - элементарные составляющие значения статической диэлектрической проницаемости и времена релаксации, е'„ - высокочастотная диэлектрическая проницаемость. Наблюдаемый спектр диэлектрической проницаемости раскладывался на две-три релаксационных области дебаевского типа с соответствующими временами релаксации т,, т2, т3. Из-за ограниченного количества экспериментальных точек спектральная форма этих областей и причины их появления оставались не выясненными.

Применение высокочувствительных мнкрополосковых измерительных резонаторов с малым шагом перестройки по частоте позводило'выявить отсутствие сдвига частоты дисперсионной области диэлектрического спектра при изменении температуры, что не типично для релаксационного процесса. Поэтому можно предположить, что отклонение высокочастотной части диэлектрического спектра от дебаевского типа носит скорее не релаксационный, а резонансный характер с частотой резонанса около 320 МГц.

Частотная зависимость действительной компоненты диэлектрической проницаемости материала при наличии резонансного процесса в нем, может быть записана в виде [7]:

2 1+(й+®0)У 1+<®-ш0)У ^ * '

где ш0 - частота резонанса, Лек - его амплитудная характеристика, g - величина, характеризующая затухание (время релаксации). Тогда результирующая частотная зависимость диэлектрической проницаемости исследуемого жидкого кристалла должна описываться суммой релаксационного и резонансного процессов:

е'(ю) - £оо = е'в(со) +

(5)

На рис.'4 в качестве примера приведено сравнение экспериментальных точек с аппроксимационной зависимостью е'ц(ш), полученной из (5) численным подбором коэффициентов для 8СВ при Т= 42,2 С. Видно, что такая аппроксимация дает хорошее совпадение с экспериментальными данными.

5,0 4,0 3,0

■СТ г—-

0

100

-200

300 МГц

Рис. 4. Зависимость с'ц от частоты для 8СВ при Т- 42,2 С. Точки - эксперимент, кривая - аппроксимация по формуле (3).

В третьей главе показано так же, что наличие дополнительной дисперсионной области па частотной зависимости диэлектрической проницаемости жидких кристаллов группы алкилциапобифеннлов приводит к смешению экспериментально наблюдаемой частоты повторной смены знака диэлектрической анизотропии относительно вычисленной по модели релаксационного процесса Дсбая.

Рис. 5. Диэлектрическая анизотропия жидкого кристалла 5СВ.

Точки - эксперимент. Сплошная линия - аппроксимация по Дебаго.

Если же учесть наличие дополнительной дисперсионной области па частотной зависимости диэлектрической проницаемости е',.(/) и в' (/) в предположении ее резонансного характера по формулам (3-5), то и вторая частота смены знака диэлектрической анизотропии, наблюдаемая в эксперименте согласуется с расчетом.

В четвертой главе показано применение разработанных измерительных микрополосковых резонаторов для исследования диэлектрической проницаемости биополимеров. .

Измерения диэлектрической проницаемости пленок биополимера полиоксибутирата в дециметровом диапазоне длин волн показали, что их диэлектрическая проницаемость составляет порядка 2.2. Такие низкие значе-

ния диэлектрической проницаемости можно было бы отнести к чисто индуцированной поляризации. Однако была обнаружена температурная зависимость диэлектрической проницаемости, что говорит о том, что высокая чувствительность микрополосковых измерительных резонаторов позволяет даже в дециметровом диапазоне волн фиксировать изменения диэлектрической проницаемости, связанные с увеличением подвижности полимерных цепей.

При анализе литературы, посвященной исследованиям молекулярной структуры растворов полиоксибутирата в хлороформе оптическим и вискозиметрическим методами были обнаружены противоречивые.данные о молекулярной структуре растворов. В более ранних работах выдвигалось предположение о возможной спиральной конфигурации молекулярных макроцепей, в более поздних работах показывалось, что система биополимер -растворитель более адекватно описывается моделью полимерного клубка. Однако было замечено, что в работах исследованы биополимеры с разным молекулярным весом.

В данной работе молекулярная структура исследовалась методом диэлькометрии на разработанных микрополосковых измерительных резонаторах в широком диапазоне частот, температур и составов. Специально был синтезирован полимер полиоксибутират с разными процентными добавками оксивалериата. В этих составах молекулярный вес меняется от 1070000 до 86600 Бакоп (Ба).

В результате проведенных экспериментов было установлено, что диэлектрические характеристики растворов сополимера полиоксибутирата и полиоксивалериата в хлороформе зависят от молекулярных, масс. Обнаруженная корреляция между молекулярным весом и диэлектрическим инкрементом показала, что чем больше молекулярный вес, тем меньше диэлектрический инкремент.

Кроме того, при расчете среднего дипольного момента молекул в слабоконцентрированном растворе было обнаружено, что в образцах с малым молекулярным весом, т.е. с короткими цепями, средний дипольный момент максимален.

V

Тот факт, что в коротких цепях диэлектрический инкремент и средний дипольный момент максимальны, свидетельствует об аддитивном вкладе всех секторов в общую поляризуемость макромолекул."Очевидно, что это возможно только лишь для вытяну 1ых или спиралевидных цепных структур, в которых электрическое поле ориентирует все сектора относительно преимущественного направления оси молекулы. С ростом длины цепи уменьшение диэлектрического инкремента и <//> говорит о том, что общая поляризуемость и диэлектрическая проницаемость уже не определяются аддитивным вкладом от всех секторов. Это может быть следствием того, что длинные непи в растворе имеют конформацию типа "клубка" и поверхностные, ориентированные по полю диполи, экранируют внутренние дипольные моменты мономолекулярных секторов.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработаны высокочувствительные микрополосковые измерительные резонаторы для измерения действительной, и мнимой компонент диэлектрической проницаемости жидких кристаллов и биополимеров в дециметровом диапазоне длин волн.

2. На их основе создана экспериментальная установка, позволяющая с относительной точностью не хуже I О"2 фиксировать значения действительной и мнимой компонент диэлектрической проницаемости жидких кристаллов и биополимеров в диапазоне частот от 50 до 1000 МГц при измерении частотных и температурных зависимостей диэлектрической проницаемости,

V

а так же при исследовании диэлектрической проницаемости в электрических и магнитных полях.

3. Экспериментально исследована область аномальной дисперсии диэлектрической проницаемости "в нематических жидких кристаллах группы 'алкилцианобифенилов (5СВ, 7СВ, 8СВ) в дециметровом диапазоне длин волн. Показано, что частота дисперсионной области не зависит от длины алкильных цепей. Амплитуда же дисперсионной области максимальна для 5СВ, имеющего меньшее число алкильных групп и более высокую частоту релаксации. При повышении температуры в нематической фазе ЖК частота дисперсионной области не изменяется, амплитуда же увеличивается, проявляя критический рост при фазовом переходе нематик- изотропная жидкость.

4. Показано, что дополнительная дисперсионная область проявляется в растворах жидких кристаллов в бензоле.

5. В жидких кристаллах группы алкилцианобифенилов обнаружено смещение частоты повторной смены знака диэлектрической анизотропии относительно вычисленной на основе дебаевского процесса релаксации.

6. В пленках биополимера полиоксибутирата выявлено увеличение диэлектрической проницаемости с ростом температуры в дециметровом диапазоне длин волн.

7. Установлено, что значительные вариации диэлектрических инкрементов и соответствующих им средних дипольных моментов связаны со средними молекулярными массами биополимера полиоксибутирата.

'Основные результаты диссертации опубликованы в следующих статьях:

1. Беляев Б.А., Дрокин H.A., Шепов В.Н. Применение микрополоско-вых резонаторов для исследования диэлектрических свойств жидких кристаллов на СВЧ // ЖТФ, 1995, т.65, вып.2, с. 189 - 197.

2. Беляев Б.А., Дрокин H.A., Шабанов В.Ф., Шепов В.Н. Особенности диэлектрических,спектров жидкого кристалла 5СВ в дециметровом диапазоне волн //Письма в ЖЭТФ, 1997, т.66, вып. 4, с. 251-253.

3. Беляев-Б.А., Дрокин H.A., Шабанов В.Ф., Шепов В.Н. Исследование СВЧ-диэлектрической проницаемости жидких кристаллов в электрических и магнитных полях//ЖТФ, 1998, т.68, вып. 1, с.1 \ l-\2\.

4. Беляев Б.А., Дрокин H.A., Шабанов В.Ф., Шепов В.Н. Инверсия знака диэлектрической анизотропии в жидких кристаллах 4-пептпл-4'-цианобифенил в дециметровом диапазоне волн //ФТТ, 2000, Т.42, вып. 3, стр. 577-579.

5. Беляев Б.А., Волова Т.П., Дрокин H.A., Шепов В.Н. СВЧ диэлектрическая проницаемость полиоксибутирата - деградируемого биополимера //Доклады АН, 2000, Т.370, №6, стр. 828-831.

6. Беляев Б.А., Дрокин H.A., Шабанов В.Ф., Шепов В.Н. Диэлектрическая проницаемость жидких кристаллов группы алкилцианобифенилов в дециметровом диапазоне волн // ФТТ, 2000, Т.42, 5, стр. 956-958.

7. Беляев Б.А., Волова Т.Г., Дрокин H.A., Шепов В.Н. Исследование диэлектрической проницаемости полиоксибутирата включая СВЧ диапазон // Биофизика, 4, 635, 2000,

трудах конференций:

8. Шепов В.Н. Исследование диэлектрической проницаемости жидкого кристалла 5СВ в дециметровом диапазоне волн // Вестник КГТУ, 1997, вып. 9, стр. 164 - 171.

9. Беляев Б.А., Дрокин H.A., Шепов В.Н. Датчик для исследования СВЧ диэлектрических характеристик жидких кристаллов // Труды всероссийской с международным участием конференции "Современные проблемы радиоэлектроники", Красноярск, 1998г., стр. 184-185.

10. Беляев Б.А., Дроки'н H.A., Шепов В.Н. Микрополосковый метод исследования диэлектрических характеристик жидких кристаллов в деци-' метровом диапазоне волн // Труды международной конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения", Новосибирск, 1998г., Том 6, стр. 9-12.

11. Беляев Б.А., Дрокин H.A., Шепов В.Н. Микрополосковые резонаторы для исследования диэлектрических спектров жидких кристаллов в дециметровом диапазоне волн // Труды 8 международной конференции "СВЧ техника и телекоммуникационные технологии", Севастополь, 1998г., Т. 2, стр. 688-689.

12. Belyaev В.A., Drokin N.A., Shepov V.N. Micros'trip technique for investigation of dielectric characteristics of liquid crystals in SHF range // 4TH Internat, conf. on Actual problems of electronic instrument engineering proceedings, Novosibirsk, 1999, Vol. 1, pp.436-439.

13. Беляев Б.А., Волова Т.Г., Дрокин H.A., Шепов В.Н. СВЧ диэлектрическая проницаемость полиоксибутирата. //Труды 9°" международной конференции "СВЧ техника и телекоммуникационные технологии", Севастополь, 1999г., стр. 270-271.

14. Щепов В.Н. Инверсия знака диэлектрической анизотропии жидкого кристалла 4 пентил 4' дианобифенила //Сб. трудов конференции молодых ученых КНЦ СО РАН, Красноярск, 2000, стр.49-52.

тезисах докладов конференций: -

15. Шепов В.Н. Особенности диэлектрической спектроскопии, нематических жидких кристаллов в дециметровом диапазоне волн. // Тезисы доклада "Конференции молодых ученых", Красноярск, 1997, стр.67-68.

16. Беляев Б.А., Дрокин H.A., Шепов В.Н. Высокочастотные диэлектрические спектры жидких кристаллов и их связь с конформационной

подвижностью молекул. // Тезисы доклада Всероссийской конференции "Решетневские чтения", Красноярск, 1998г., стр. 112-113.

17. В.Л. Belyaev, N.A. Drokin, V.F. Shabanov, V.N. Shcpov. Dielectric Permittivity of liquid crystals of alkylcyanobiphenyl series in the decimeter wavelength range. // Abstracts of the XIII Conference on liquid crystals Krynica Zdroj, Poland, 1999.

. 18. B.A. Belyaev, N.A. Drokin, V.F. Shabanov, V.N. Shepov. Dielectric Anisotropy of Nematic 4-Pentil-4'-Cyanobiphenyl. // Abstracts^ of The IS"1 International Liquid Crystal Conference (ILCC), Sendai, Japan, 2000.

19. Беляев Б.А., Дрокин H.A., Тюрнев 13.В., Шепов В.Н. СВЧ ячейка для измерения диэлектрической проницаемости жидкости. // Авт. свид. на полезную модель № 95106068. Бюл № 3 16.03.1997.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Lippcus D, Pameix J.P., GiapotonA. Ill Phys. Paris, 38,1465 (1977).

2. Diiion C. aricl Wacrenier J.M. Hi. Phys. Paris, 38,47 (1977).

3. Waaenier JM,DmonC, Lippais D. // Moke. Phys,43,1,97(1981).

4. Эме Ф. Диэлектрические измерения. - M., "Химия", 1967.

5. Кравчук С.А., Нарытник Т.Н., Якименко Ю.И. Обзоры по электронной технике. // Электроника СВЧ, Сер. 1, 3, 52, (1987).

6. MadaH., NishikawaA. //Jpa J. AppL Phys., 32,1009 (1993).

7. Фрелих Г. Теория диэлектриков. - М., "Изд. ин. лит.", 1960.

8. Pratt G.J., Smith M.J.А. // Eur Polym J., Д 857 (1999).

9. Базаров И.П., Геворкян Э.В. Статистическая физика жидких кристаллов. - М., Изд-во Московского университета, 1992.

10. Ведснов A.A. Физика растворов. - М., "Наука", 1984.

11. Holmes P.A. In: Developments in crystalline.polymers.-2. // Ed.; Elsevier: London, 1988. p.65.

Подписано к печати 1-Ч-- (О 2000г. Тираж 70 экз.,у.-и. л: 1. Заказ № ^/. Отпечатано на ротапринте ИФ СО РАН 660036, Красноярск, Академгородок.