Ориентационная релаксация и диэлектрические свойства нематических жидких кристаллов во вращающихся магнитных полях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Введение.

Глава 10бзор экспериментальных и теоретических результатов исследований диэлектрической проницаемости и электропроводности в нематических жидких кристаллах.

1.1 Диэлектрическая проницаемость в ориентированных жидких кристаллах.

1.2 Релаксация диэлектрической проницаемости в ориентированных жидких кристаллах.

1.3 Нематические жидкие кристаллы во вращающемся магнитном поле

1.4 Электропроводность нематических жидких кристаллов.

1.5 Постановка задачи, выбор объекта и метода исследования.

Глава 2 Экспериментальная установка и методика измерений

2.1 Установка для исследования диэлектрических свойств жидких кристаллов в ротационных магнитных полях.

2.1.1 Блок- схема установки.

2.1.2 Радиотехническая часть.

2.1.3 Магнитомеханическая часть.

2.1.4 Измерение электроемкости и электропроводности.

2.2 Расчет действительной и мнимой части диэлектрической проницаемости нематических жидких кристаллов.

2.3 Оценка погрешности измерений.

2.4 Контрольные измерения.

Глава 3 Результаты экспериментальных исследований.

3.1 Температурные зависимости электроемкости и электропроводности

3.2 Угловые зависимости электроемкости и электропроводности.

3.3 Электроемкость во вращающемся магнитном поле.

3.4 Электропроводность во вращающемся магнитном поле.

3.5 Переходные процессы при включении магнитного поля.

Глава 4 Анализ экспериментальных результатов.

4.1 Комплексная диэлектрическая проницаемость в статическом магнитном поле.

4.2 Анизотропия действительной и мнимой части диэлектрической проницаемости в статическом магнитном поле.

4.3 Диэлектрическая проницаемость во вращающемся магнитном поле

4.4 Ориентационная релаксация в стационарном режиме вращения магнитного поля.

4.5 Низкочастотная составляющая движения директора в нестационарном режиме вращения магнитного поля.

4.6 Сравнение результатов с данными, полученными ультразвуковыми методами.

Актуальность проблемы. Жидкие кристаллы (ЖК) широко применяются в устройствах отображения информации, различного рода датчиках, оптических модуляторах, системах хранения информации при воздействии быстро меняющихся электрических и магнитных полей. В этой связи актуальными являются экспериментальные исследования ориентационных диэлектрических свойств ЖК, позволяющие получить результаты, которые можно использовать для уточнения структуры жидкокристаллического состояния вещества и кинетических процессов, связанных с переориентацией директора в макроскопических объемах. К сожалению, молекулярный механизм электрогидродинамических неустойчивостей и связанных с ними электрооптических эффектов остается невыясненным, что требует дальнейших комплексных исследований не только в направлении расширения спектра изучаемых объектов, но и более широкого представления методов неравновесной гидро- и термодинамики, электрооптики и т. д. Важное значение имеет одновременное измерение диэлектрической проницаемости и удельной электропроводности в граничной области ориентационной релаксации, т. е. на стыке высокочастотной релаксации директора и низкочастотной ветви диэлектрической поляризации. Существующие методы изучения релаксационных свойств анизотропных жидкостей не позволяют исследовать динамику ориентационной структуры в условиях широкого варьирования отношением магнитной длины когерентности к линейным размерам образца, в то время как при значительном изменении толщины исследуемого слоя становится возможным проводить анализ на стыке континуальной и статистической теорий. Широкие возможности изучения динамики ориентационных процессов открывает метод вращающегося магнитного поля, продемонстрировавший свои преимущества при изучении различных нематических жидких кристаллов (НЖК) в больших объемах и изменяющихся термодинамических параметрах состояния. Таким образом, представляется перспективным проведение экспериментальных исследований во вращающемся магнитном поле методом радиодиэлектрической спектроскопии.

Цель работы. Экспериментальное исследование динамики ориентационных процессов НЖК во вращающемся магнитном поле методом радиодиэлектрической спектроскопии. Достижение поставленной цели предусматривает решение следующих задач:

-разработку методики измерения диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь во вращающемся магнитном поле;

- проведение исследования ВЧ диэлектрических свойств раствора п-алкилоксибензилиден-р-п- бутиланилинов (Н-8) при изменяющихся температуре и частоте вращения магнитного поля.

Научная новизна. Разработана методика, и создана компьютеризированная экспериментальная установка для измерения комплексной диэлектрической проницаемости во вращающемся магнитном поле. Впервые исследовано влияние вращающегося магнитного поля на комплексную диэлектрическую проницаемость НЖК Н-8. На фазовой характеристике обнаружены стационарный и нестационарный режимы изменения диэлектрической проницаемости и электропроводности. Числовые значения измеренных параметров табулированы и несут нагрузку справочного характера.

Практическая ценность. Создан комплекс измерительной аппаратуры для изучения диэлектрических свойств анизотропных жидкостей в статических и переменных магнитных полях при различных температурах, включая области фазовых переходов. Наблюдаемая низкочастотная составляющая на фазовой характеристике является материальной основой дальнейшего совершенствования теории динамических свойств НЖК. Полученные результаты являются основой эксплуатационных характеристик рабочих тел устройств и приборов инерциальной навигации.

Автор защищает: разработанную методику измерения диэлектрических параметров НЖК в ротационном магнитном поле на частоте ВЧ поля 1 МГц в анизотропной и изотропной фазах. Результаты экспериментальных исследований диэлектрических свойств НЖК Н-8 в статических и переменных магнитных полях (В=0,3 Тл) на частоте 1 МГц в зазоре 2 -10-3 м в температурном интервале от 293,3 до 321,6 К. Результаты анализа полученных данных в свете существующих теорий.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях профессорско-преподавательского состава ТГПУ им. Л.Н.Толстого, г. Тула, 1999- 2003гг., Всероссийской научно- практической конференции «Проблемы физико-математического образования в пед. вузах России на современном этапе», г. Магнитогорск, 1999 г., научной конференции МГОУ 2003 г., научном семинаре проблемной лаборатории молекулярной акустики МГАПИ. По материалам диссертации опубликовано 10 работ в виде научных статей и тезисов докладов.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложения; включает 104 страницы машинописного текста, 74 рисунка, 41 таблицу, в списке литературы 84 наименования.

Основные результаты и выводы

1. Разработана и создана экспериментальная установка для изучения ориентационной релаксации и комплексной диэлектрической проницаемости в ротационном магнитном поле.

2. Впервые исследована комплексная диэлектрическая проницаемость НЖК (Н-8) во вращающемся магнитном поле.

3. Исследованы переходные процессы с момента начала вращения магнитного поля (для анализа этих процессов требуется время релаксации механической системы).

4. Изучены зависимости мнимой и действительной части комплексной диэлектрической проницаемости от температуры и частоты вращения магнитного поля.

5. Исследованы стационарный и нестационарный режимы движения директора, рассчитано время затухания низкочастотной составляющей. Определены характеристические частоты ориентационной релаксации НЖК, рассчитана энергия активации.

6. Показано качественное, а в некоторых случаях и количественное, согласие экспериментальных результатов с выводами существующей теории ориентационных явлений в НЖК.

7. Установлено, что в зазоре 2 мм еще не сказывается ориентирующие действие стенок, что следует из сравнения значений времен ориентационной релаксации со значениями, полученными акустическими методами.

1. Де Жё В. Физические свойства жидко- кристаллического состояния вещества / Пер. с англ. под ред. Веденеева А.А.- М.: Мир, 1982.- 152 с.

2. Емельянов В. А. Диэлектрические свойства растворов нематических жидких кристаллов при высоких давлениях: Канд. дис.- М.: ВЗМИ, 1980.-с. 115.

3. Сонин А. С. Введение в физику жидких кристаллов.- М.: Наука, 1983.320 с.

4. Блинов JI. М. Электро- и магнитооптика жидких кристаллов.- М.: Наука, 1978.

5. Maier W., Meier G. Z. // Naturforsch.- 1961.- 16A.- №3.- p. 262-271.

6. Derzhanski A. I., Petrov A. G. Dielectric properties of nematic liquid crystals with ellipsoidals molecules // Докл. Болг. АН.- 1971.- т. 24.- №5. с.569-572.

7. Цветков В. Н. // Кристаллография.- 1969.- т. 14.- №4.- с. 681-686.

8. Цветков В. Н. // Вестник ЛГУ.- 1970.-№4.- с.26-37.

9. Кузнецов А. Н., Лифшиц В. А., Ческис С. Г. // Кристаллография.- 1975.т. 20.- №2.

10. BottcherC. J.F., BordewijekP. // Elsevier.- Amsterdam.- 1978.- v. 11.-p. 467.

11. De Jeu W. H., Goossens W. J. A., Bordewijek P. // J. Chem. Phys.- 1985.-v. 61.

12. De Jeu W. H. Physical Properties of Liquid Crystalline Materials, Gordon and Breach.- New York.- 1980.

13. Фрелих. Г. Теория диэлектриков / Пер. с англ.- М., 1960. 251 с.

14. Н.Вукс М. Ф. Электрические и оптические свойства молекул иконденсированных сред.- Л.: Изд-во ЛГУ, 1984.

15. Дебай П. Полярные молекулы.- М.: ГНТИ, 1931.

16. Bata L., Buka A., Molnar G. Rotary Motion of Molecules about their Short Axis by Dielectric and Splay Viscosity Measurements // Mol. Cryst. Liq. Crist.- 1977.-v. 38.-p. 155-162.

17. Френкель Я. И. Кинетическая теория жидкостей.- М., 1945.

18. Meier G., Saupe A. Dielectric relaxation in nematic liquid crystals // Mol. Cryst.- 1966.-v. l.-p. 515-525.

19. Martin A. J., Meier G., Saupe A. Extended Debue theory for dielectric relaxation in nematic liquid crystals // Faraday Soc. Symp.- 1971,- v. 5.-p. 119-113.

20. Цветков В. H. Движение анизотропных жидкостей во вращающемся магнитном поле // ЖЭТФ.- 1939.- т. 9.- №5.- с. 602-615.

21. Цветков В. Н., СосновскийА. Диамагнитная анизотропия кристаллических жидкостей // ЖЭТФ,- 1943.- т.13,- № 9-10.- с 353-360.

22. Gasparoux Н., Prost J. // J. Phys.- 1971.- v. 32.- №11.- p. 953.

23. Kneppe H., Scheneider F. //Phys. E: Sci. Instrum.- 1983,- 16.- p. 512.

24. Беляев В. В. Физические методы измерения коэффициентов вязкости нематических жидких кристаллов // Успехи физических наук.- 2001.- т. 171.-№3.- с. 267-298.

25. Yun С. К. //Phys. Lett.- 1973.- v. 45.-p. 119.

26. Siedler L., Setal T. // Mol. Cryst. Liq. Cryst.- 1983.- v. 90.- p. 255.

27. Чигринов В. Г., Беляев В. В. // Кристаллография,- 1977.- т. 22.- с. 603.

28. Brochard F., Pieranski P., Guyon E. // Phys. Rev. Lett.- 1972.- v. 28.-p. 1681.

29. Van Doom C. Z. // J. Phys. Colloq.- 1974.- 36.- p. 261.

30. Де Жен П. Физика жидких кристаллов.- М.: Мир, 1977.- 400с.

31. Brochard F. //Mol. Cryst. Liq. Cryst.- 1973.-v. 23.- p. 51.

32. HelfrichW.//Phys. Rev. Lett.- 1968,-v. 21.-p. 1518.

33. Leslie F. M., Luckhurst G. R., Smith H. J. // Chem. Phys. Lett.- 1972.-v. 13.- p. 368.

34. Анисимов М. М., Лагунов А. С. Установка для определения вращательной вязкости жидких кристаллов // ЖФХ.- 1982,- т. 56.-с. 1316.

35. А. С. СССР. / Богданов Д. Л., Лагунов А. С., Лукьянов А. Е.-№ 731355. Бюлл. изобр. 16,1980.

36. Богданов Д. Л., Геворкян Э. В., Лагунов А. С. Акустические свойства жидких кристаллов во вращающемся магнитном поле // Акустический журнал.- 1980.- т. 26 вып. 1,- с. 28- 34.

37. Лагунов А. С., Ларионов А. Н. // Акустический журнал.- 1984.- т. 30,-с. 344.

38. Геворкян Э. В., Лагунов А. С., Эргашев Д. Акустические свойства жидких кристаллов в пульсирующих магнитных полях // Акустический журнал.- 1982.- т. 28.- с. 14.

39. Лагунов А. С., Ларионов А. Н., Эргашев Д. // 10-я Всесоюзная акустическая конференция (Москва, 1983).- М.: Изд-во Акуст. ин-та АН СССР.-1983.- с. 56.

40. Лагунов А. С., Геворкян Э. В., Ларионов А. Н. Жидкие кристаллы: Межвуз. сб. науч. тр.- Иваново: Изд-во Иван. гос. ун-та, 1985.- с. 56.

41. Lagunov A. S. / Abstracts of 10th Int. Liq. Cryst. Conf.- New York, 1984.-p. 23.

42. Кожевников E. H. // Акустический журнал,- 1994.- т. 40,- с. 412.

43. Богданов Д. Л., Лагунов А. С., Ларионов А. Н. // ЖФХ.- 1982,-т. 27.-с. 1494.

44. Bogdanov D. L., LarionovA. N., Pasechnik S. V. / Abstracts of 17th Int. Liq. Cryst. Conf.- Strasbourg, France.- 1998.

45. Богданов Д. Л., Вековищев М. П. // Тез. докл. Всерос. науч.-тех. конф.- Воронеж, 1997.

46. Лагунов А. С., Аникин А. М. //ЖФХ.- 1986.- т. 60.- с. 417.

47. Богданов Д. Л. Дис. д-ра. физ.-мат. наук.- М., 1999.

48. Брандт А. А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах.-М., 1963.

49. Готра 3. Ю., Вистинь. JI. К., Пархоменко В. В., СмерклоЛ. М. Индикаторные устройства на жидких кристаллах,- М.: Сов. Радио, 1980.

50. Ахадов Я. Ю. Диэлектрические свойства чистых жидкостей.- М.: Изд-во Стандартов, 1972.

51. Физические величины: Справочник / Под ред. И.К.Кикоина.- М.: Атомиздат, 1976.

52. Косандрова О. В., Лебедев В. В. Обработка результатов наблюдений.-М., 1970.

53. Вервейко М. В. Акустическая релаксация в НЖК при высоких давлениях. Канд. дис.- Курск, 1999.

54. Жидкокристаллические индикаторы. М., 1991.

55. Вистинь Л. К., Лагунов А. С., Ламекин В. Ф. Жидкие кристаллы в устройствах информатики,- М.: Радио и связь, 1995.- 208 с.

56. Хабибулаев П. К., Геворкян Э. В., Лагунов А. С. Реология жидких кристаллов.- Ташкент: «Фан», 1992.- 298 с.

57. Преобразователь аналого-цифровой Ф4891/2. Паспорт.

58. Частотомер электронносчетный 43-34. Техническое описание иинструкция по эксплуатации.- 1983.

59. Lippmann Н. // Ann. Phys.- Leipzig.- 1958.- 1.- p. 157.

60. Zwetkoff W. // Acta Phys.- 1939.- v. 11.- p. 587.

61. Doerrer H et al. Liq. Cryst.- 1986.- v. 1.- p. 573.

62. Kuss E. //Mol. Cryst. Liq. Cryst.- 1978.- v. 47.- p. 71.

63. Бодский А. Ф., Кан В. Л. Краткий справочник по математической обработке,- М.: Стандартно, 1960.

64. Емельянов В. А., Лагунов А. С., Фирсов Г. И. Диэлектрические свойства жидкого кристалла Н-8 при высоких давлениях // ЖФХ.-1998.-т. 72.-№9.- с. 1714.

65. Кац Е. И. Поведение нематических жидких кристаллов во вращающемся магнитном поле //ЖЭТФ.-1973 .-т. 65.- вып. 1.- с.325.

66. Богданов Д. JL, Геворкян Э. В., Лагунов А. С. Акустические свойства жидких кристаллов во вращающемся магнитном поле // Акустический журнал.- 1980.- т. 26.- вып. 1.- с. 28- 34.

67. Dorrer Н., Kneppe Н., Kuss Е., Schneider F. // Measurement of the rotational viscosity of nematic liquid crystals under high pressure.- 1986.-v. l.-№ 6,-p. 573-582.

68. Кац E. И. Динамика жидких кристаллов.- M., 1988.

69. Покровский В. Н. К теории релаксационных процессов в молекулярных жидкостях и жидких кристаллах // ЖЭТФ.- 1976.- т. 71.- с. 1880.

70. Алиев Ф. М., Коломиец И. П., Рюмцев Е. И., Цветков В. Н. Вращающееся магнитное поле как метод определения диамагнитной анизотропии нематических жидких кристаллов // ДАН СССР.- 1973.- т. 209.-№5.-с. 1074- 1077.

71. Адамчик А., Стругальский 3. Жидкие кристаллы.- М.: Сов. Радио, 1979.- 160 с.

72. Шахпаронов М. И. Методы исследования теплового движения молекул и строения жидкостей.- М., 1963.

73. Ларионов А. Н. Релаксационные свойства жидких кристаллов в пространственно переменных магнитных полях при высоких давлениях: Канд. дис.- М.: ВЗМИ, 1980.- 186 с.

74. Сквайре Дж. Практическая физика / Пер. с англ.- М.: Мир, 1985.272 с.

75. Кунце X. И. Методы физических измерений / Пер. с нем.- М.: Мир, 1989.-216 с.

76. Капустин А. П., Капустина О. А. Акустика жидких кристаллов.- М.: Наука, 1986.-248 с.

77. Капустин А. П. Экспериментальные исследования жидких кристаллов.-М.: Наука, 1978.

78. Анисимов M. M., Лагунов A. С. №935747 (СССР). Способ определения коэффициента вращательной вязкости жидких кристаллов и устройство его реализации. Опубликовано в Б. И., 1982, № 22.

79. Анисимов M. М. А. С. №930007 (СССР). Способ измерения углов в диапазоне от 0 до 90°.- Опубликовано в Б. И., 1982, № 19.

80. Жидкие кристаллы / Под ред. Жданова С. И.- М.: Химия, 1979.- 327 с.

81. Пикин С. А., Блинов Л. М. Жидкие кристаллы,- М.: Наука, 1982.- 207 с.

82. Раджаб И. У. Диэлектрическая релаксация и дипольная структура молекул термотропных жидких кристаллов: Канд. дис.- Душанбе, 1991.- 117 с.

83. ProstJ., GasparouxH. Détermination of twist vis-cosity coefficients in nematic mesophases. // Phys. Lett.- 1971.- v. 36A.- №3.- p. 245.

84. Дедов С. В. Динамика ориенггационных процессов в нематических жидких кристаллах при высоких давлениях. Канд. дис.- Москва, 1997.141 с.