Ориентационные неустойчивости жидких кристаллов под действием низкочастотного периодического сдвига тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Р Г Б ОД 2 7 ЯН В 1.997

На правах рукописи

БАЙМАКОВА ОЛЬГА АРКАДЬЕВНА

ОРИЕНТАЦИОННЫЕ НЕУСТОЙЧИВОСТИ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ ПОД ДЕЙСТВИЕМ НИЗКОЧАСТОТНОГО ПЕРИОДИЧЕСКОГО СДВИГА

01.04.14 - теплофизика и молекулярная физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

УФА-1997

Работа выполнена в Башкирском государственном университете.

Научные руководители: доктор физико-математических наук, профессор Чуоырон А.Н. (Башкирский госуниве^ситет), кандидат физико-математических наук, с.и.с. Скалдин O.A. (Институт физики молекул и кристаллов УНЦ РАН).

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Чигринов В.Г. (вед.науч.сотр. Института кристаллографии РАН, г. Москва); доктор физико-математических наук, профессор Житников В.П. (кафедра информатики и ВТ УГАТУ, г. Уфа).

Ведущая организация: Пермский государственный университет

Защита состоится Cjt 1997 г. в ^ часов на заседании

диссертационного совета К.064.13.06 при Башкирском государственном университете по адресу: 450074, г. Уфа, ул. Фрунзе, 32, физический факультет, к. 216.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Башкирского государственного университета.

Автореферат разослан " -¿О " Л/_1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА Актуальность работы. В последние годы п области акустики жидких кристаллом развивается новое перспективное направление - исследование акусто-оптичсских явлении п жидких кристаллах (ЖК), связанных с различного рола ориситаииоиными мсустойчииостями ЖК при акустических течениях, возбуждаемых периодическими колебаниями одной ил границ -сдвиговые колебания. С другой стороны, это связано с развитием исследований и области химии жидких кристаллов, которые позволили получить материалы, имеющие жидкокристаллическую структуру при комнатной температуре, малыми коэффициентами вязкости, большой анизотропией показателей преломления. В отличие от простых жидкостей п исматическом жидком кристалле (НЖК) сдвиговые колебания пластины, возбуждающие акустические течения, приводят к возникновению и распространению в объеме ЖК нескольких сдвиговых волн с различными волновыми векторами. Кроме этого, нематические ЖК отличаются тем, что увеличение интенсивности звука, воздействующего на него, приводит к различным ориентационным неустойчипостям. Пожалуй наиболее интересным является образование стационарного угла наклона директора в поле сдвиговой волны выше некоторой критической амплитуды. Отметим, что при малых амплитудах отклонения директора под действием сдвиговой водны являются симметричными. По достижении некоторой критической амплитуды сдвиговой волны директор перестает "отслеживать" фазу этой волны, чго выражается в появлении стационарного угла наклона директора. В результате такого перехода происходит нарушение симметрии в системе. При дальнейшем увеличении амплитуды сдвига возможно появление азимутальной неустойчивости директора или стационарной гидродинамической конвекции ЖК. В целом представляет интерес изучение ориентацнонных неустойчивостей сложных молекулярных систем и жидких кристаллов под действием низкочастотных акустических течений, физических механизмов процессов релаксации директора, переход к полной турбулизацин.

Цель работы. Целью данной диссертационной работы является исследование ориеитациопных нсустойчшюстсй гомеотрошю-ориептирован-ных слоен Ж К под действием низкочастотных периодических сдвиговых течений. £

Научная новизна полученных результатов состоит I: следующем: 1. Обнаружен и исследован аффект образования стационарного угла наклона директора и гомеотропио-ориептиропапных слоях нематических ЖК под действием низкочастотного периодического еднига.

. 2. Обнаружен и исследован аффект а.чимуталыюй неустойчивости директора в гомсотрошю-ориентированпых слоях немагических ЖК, когда при достижении пороговой амплитуды периодического еднига директор "выходит" из первоначальной плоскости заданного движения в третье измерение.

3. Изучено температурное поведение угла девиации директора - амплитуды его колебания в окрестности фазового перехода нематик - изотропная фаза под действием периодического сдвига. Показано, что величина девиации директора аномально растет при приближении к точке фазового перехода.

4. Показано, что при импульсном сдвиговом течении в определенном диапазоне амплитуд импульсного" сдвига происходит образование нестационарных периодических доменных структур, релаксация которых идет через процесс образования одиночных ориентационных волн вдоль слоя ЖК, имеющих свойства автосолитонов.

5. Исследован сценарий перехода к турбулентному состоянию слоя НЖК при действии сдвигового акустического течения. Показано, что в этом случае возникают низкочастотные флуктуационные моды, ответственные за образование конвективных течений - системы "роллов", а сам процесс перехода к турбулнзации сопровождается непрерывным ушнрением спектра низкочастотных флуктуации {<25 Гц (частота воздействия »200 Гц).

Практическое значение работы состоит в следующем:

1. Результаты представленных исследований могут быть использованы при разработке акусгооптических низкочастотных преобразователей и сенсорных устройств.

2. Полученные результаты могут быть полезными при дальнейшей разработке теории нелинейных явлений в ЖК.

На защиту выносятся следующие положения:

1. При воздействии низкочастотных сдвиговых осцилляций на гомеотропный слой нематического ЖК при некоторой пороговой амплитуде сдвига а„| возникает стационарный наклон молекул ЖК.

2. При воздействии низкочастотных сдвиговых осцилляций на гомеотропный слой нематического ЖК при некоторой пороговой амплитуде сдвига ап2 имеет место эффект азимутальной неустойчивости молекул ЖК, выражающийся в том, что директор "выходит" из плоскости первоначального сдвига и начинает описывать эллиптическую траекторию.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на 15-ой Международной конференции по жидким кристаллам (Венгрия, Будапешт, 1994), на Первой научной конференции молодых ученых - физиков Республики Башкортостан (Башкирия, Уфа, 1994), на Европейской конференции по жидким кристаллам (Словения, Бовек, 1995), на 3-ей Всероссийской конференции студентов-физиков (Россия, Екатеринбург, 1995), на Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам "Ленинские горы-95" (Москва, 1995), на 16-ой Международной конференции по жидким кристаллам (США, Кент, 1996), на 4-ой Всероссийской конференции студентов-физиков (Россия, Екатеринбург, 1996).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано И работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и выводов, изложена на 158 страницах, содержит 28 иллюстраций и список литературы из 182 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы ноль и задачи работы, показана сс научная понизил.

Первая глава посвящена литературному обзору шссперимептальных и теоретических работ, связанных с изучением воздействия акустических полей на слой жидкого кристалла. Показывается влияние ипепших воздействий (электрического, магнитного, температурного и акустического полей) на слои жидких кристаллов при различных граничных условиях. Рассматриваются релаксационные процессы и механизмы, связанные с релаксацией н иоле периодического сдвига, поведение изотропных и анизотрогшых жидкостей при больших амплитудах внешнего воздействия, переход к турбулентному состоянию и сценарии развития турбулизации.

На основе представленного обзора делается вывод, что в имеющихся научных работах низкочастотная область (20Гц<Г<20к1'н) внешних воздействий исследована довольно слабо, и нельзя получить ясное представление о процессах низкочастотной релаксации 0<1кГц) в НЖК. В связи с этим, становится интересным изучение ориентационных неустойчнвостей и процессов релаксации в НЖК при низкочастотном периодическом сдвиге.

Во второй главе представлена информация о свойствах объектов исследования, описывается экспериментальная методика изучения влияния сдвиговых колебаний на слой жидкого кристалла.

В §2.1 обосновывается выбор объектов исследования и методика приготовления НЖК-образцов. В данной работе использовались ЖК нематпческого типа: п-мстокснбснзилиден-п-бутиланилнн (МББА) с температурным интервалом существования мезофазы 18-42°С и анизотропией диэлектрической проницаемости е„<0, 4-октил-4'-цианобпфенил (ОЦБ) - 34-41,3°С и £а>0. Одним из наиболее распространенных и изученных ЖК является МББА. Для создания нужной гомеотропной ориентации на поверхности пепользуемых стекол напылялся металлический хром. Ячейка

представляла из себя двойной "сэндвич", между пластинами которого помешался НЖК. Для получения гомеотроппой ориентации был использован метод спонтанной ориентации.

В 52.2 и §2.3 описаны методика поляризациоппо-оптичсского анализа НЖК-слоя и экспериментальная методика регистрации и первичной обработки оптических эффектов. Исследования осуществлялись на установке, собранной на базе поляризационно-оптического микроскопа АтрНуа1-Ро1 и и спектрофотометрической приставки типа СФН-10. Прошедший через ячейку с НЖК свет преобразовывался в электрический сигнал с помощью фотоэлектронного умножителя ФЭУ-79, который находится к составе СФН. Прошедшая или отраженная от ячейки световая волна регистрировалась приставкой типа СФН-10. Постоянная компонента светового потока далее фиксировалась милливольтметром постоянного тока. Переменный во времени оптический сигнал 1(0 и его гармоники усиливались и детектировались

селективным усилителем У2-8 или Унигган-233. Для стабилизации температуры ячейка с НЖК помещалась в термостат.

В 52.4 представляется методика обработки и анализа экспериментальных данных. В дайной работе применялись цифровые методы анализа случайных процессов. Приведены также сведения о погрешностях экспериментальных измерений.

В третьей главе рассмотрены ориентационные неустойчивости директора гомеотропного слоя НЖК, связанные с эффектом образования стационарного угла наклона молекул ЖК под действием периодического низкочастотного и импульсного сдвигов.

В рамках континуальной модели рассчитано распределение поля директора в ЖК-ячейке, индуцируемого сдвиговыми колебаниями - 53.1. Проведена оценка реального расстояния, на котором директор имеет максимальное отклонение от положения равновесия д~3*Ю 3 м. Последнее позволяет считать, что ориентационное возмущение распространяется на весь слой ЖК.

В §3.2 дается гармоиичсский анализ оптического сигнала после прохождения спетом ячсйкки НЖК. В качестве примера рассматривается воздействие периодического сдвига пилкой частоты ГкЮО Гц на слои нематнческого ЖК толщиной Ь,.=20-12.5 мкм. Обсуждается критерий, по которому можно • определить порог а„1 образования стационарного угла наклона 0С директора, т.е. появление переменного сигнала на частоте возмущения фактически позволяет определить величину амплитуды порога акустической полны и НЖК, приводящей к образованию стационарною угла наклона директора в том или ином направлении отклонения вибрирующей пластины.

Более подробные экспериментальные результаты по изучению акусто-оптичсского эффекта в тонких гомеотропных слоях ЖК (МББА) на частоте 120 Гц приведены в §3.3. По данным амплитудных зависимостей постоянной компоненты ]с и второй гармоники оптического сигнала рассчитаны средние квадраты стационарной -¿5т20с>(а) и переменной <02о>(а) частей угла наклона директора (рис. 1а, б). Из них следует, что функция <51П20с>(а) монотонно возрастает и стремится к максимальному значению - 1 (рис. 1а), а <620>(а) достигает максимума при некотором значении амплитуды сдвига, дальше начинает спадать (рис. 16). Это связано, по-видимому, с тем, что возрастание стационарного угла наклона директора приводит к уменьшению динамической восприимчивости слоя ЖК. Исследовалось температурное поведение угла девиации директора - амплитуды его колебания в окрестности фазового перехода нематик - изотропная фаза. Обнаружено, что величина девиации директора аномально растет при приближении к точке фазового перехода. Из полученных данных следует, что при периодическом сдвиге при достижении некоторого порогового значения амплитуды воздействия появляется стационарный угол наклона директора. По существу, вопрос об определении типа такого ориентационного перехода в поле сдвиговой волны сводится к изучению частотной зависимости величины

порога а„1 образования стационарного угла наклона директора. Если аП|(0=соп51:, то в этом случае можно говорить об акустическом аналоге перехода Фредерикса (рис. 1в). Определялись зависимости порога аП| от температуры Т и толщины слоя Ьс ЖК. Обнаружено, что порог образования стационарного угла наклона директора не зависит от температуры нагревания образца диапазоне 18<Т<45° С и толщины ЖК-слоя в диапазоне 20<ЬС<125 мкм.

В §3.4 исследуется поведение НЖК (ОЦБ) под действием сдвигового импульса. При относительно малых величинах импульса (длительность импульса ДЬ=0,065 с) слой однородно просветляется и оптический сигнал релаксирует до нуля. Для исследования релаксационных процессов строились зависимости времен релаксации т и существования оптического сигнала Ь от величины воздействующего импульса а. Было обнаружено, что в некоторой области значений амплитуд имеет место уменьшение времен (:. Визуальный анализ за состоянием нематического слоя показывает, что в этом диапазоне слой НЖК разбивается на линейные домены, перпендикулярные направлению импульса, с периодом с1=0,5 мм. Дальнейшая временная динамика образующихся доменов не зависит от движения пластины. Релаксация линейных доменов идет через формирование, распространение и гашение ориентационных волн, которые можно отнести к автосолитонам.

В §3.5 изучены релаксационные процессы реориентации директора при отключении периодического сдвига. Более подробно исследовался образец МББА толщиной Ьс= 125 мкм на частоте возбуждения Г=190 Гц. Рассчитывались зависимости времен релаксации т от амплитуды сдвига при фиксированном времени воздействия, от времени воздействия при фиксированной амплитуде и толщины ЖК-слоя. В этом случае представляется интересным сравнение наблюдаемых времен при акустической релаксации и релаксации при классическом эффекте Фредернкса, когда для данной толщины Ьс следует значение т=30 с. Из сравнительного анализа величин

0.06

600

Рис. 1 Зависимости а) среднего квадрата синуса стационарного угла наклона директора <зт2ес> и 6) переменной его части <02о> от амплитуды сдвига; в) порога аП1 эффекта образования стационарного угла наклона директора от частоты внешнего воздействия (Ьс=20 мкм).

прсмсн релаксации следует, что эти процессы имеют тесную сиязь. Релаксационные процессы реориентации директора после отключения возмущения о/шсьшаются экспоненциальной временной зависимостью, причем характерные времена т составляют десятки секунд. Зависимости времен релаксации от толщины ЖК Ьс при различных амплитудах воздействия квадратичны по толщине и хорошо описываются формулой, применимой для случая релаксации при эффекте Фредерикса в магнитном поле. Последнее указывает на глубокую связь между этими двумя явлениями.

При больших амплитудах сдвига возникает турбулентное движение НЖК - §3.6. Исследовалось воздействие сдвиговой волны низкой частоты Г=120 Гц на слой 4-октил-4'-цианобифенила (ОЦБ) толщиной Ьс=35 мкм, находящегося при температуре 39° С. Процесс турбулизации в тонких слоях гомеотропно-ориентированных нематиков под действием осциллирующего сдвига связан с возбуждением в НЖК-системе низкочастотного спектра ориеитациониых и гидродинамических флуктуации, которые сопровождаются непрерывным уширением спектра. Кроме того, в флуктуационном спектре возбуждаются низкочастотные моды, ответственные за периодическую конвекцию в НЖК-слое, приводящую к образованию различных периодических структур, например, "роллов".

В §3.7 рассматриваются возможные механизмы эффекта образования стационарного угла наклона директора.

В четвертой главе изучен эффект азимутальной неустойчивости директора под действием низкочастотного периодического сдвига, выражающийся в том, что при определенной пороговой амплитуде сдвига ап2 имеет место "выход" директора из первоначальной плоскости сдвига ТУ (где 7. - нормаль ячейки, У-- направление сдвига) в третье измерение.

Здесь возможны два предельных случая движения директора при "выходе" из плоскости сдвига - {4.1. Рассматривалась экспериментальная ситуация, позволяющая определить движется ли директор в плоскости колебания, образуемой нормалью к ячейке Ъ и направлением колебания

подиижной пластины У или он "выходит" и третье измерение. Исследуя амплитудные зависимости наличии постоянной компоненты оптического сигнала и его гармоник, можно определить характер движения директора иод действием сдвиговой пол им. 15 »том случае предполагается, что достигнув определенного порога ,ч„2 , директор, совершая колебания в плоскости ZY, "выходит" из плоскости колебания и начинает двигаться но образующей эллипса. В данном разделе проапали.чиронаны возможные варианты "выхода" директора в третье измерение.

В §4.2 представлены экспериментальные результаты исследования азимутальной неустойчивости директора НЖК (МББА) в поле сдвиговой волны. Для того, чтобы исследовать эффект азимутальной неустойчивости, необходимо скрестить поляроиды, но только совместить анализатор с направлением У. В этой конфигурации, согласно формуле оптики анизотропных сред, просветление образца может произойти только в случае, если директор "выходит" из плоскости ЪЧ. Действительно, в этом случае регистрируется сигнал на удвоенной частоте возбуждения. Была расчитана зависимость угла "выхода" директора а из первоначальной плоскости осцилляции в третье измерение, которая представлена на рис. 2а. Она имеет пороговый характер и показывает фактически, что директор при движении под действием периодического сдвига по достижении некоторого порогового значения амплитуды "выходит" из начальной плоскости движения. Теоретические расчеты предсказывали, что порог "выхода" директора из плоскости XV не зависит от частоты возбуждения Г Последнее было подтверждено экспериментально (рис. 26). Кроме того, были изучены зависимости порога "выхода" директора из начальной плоскости осцилляции от температуры Т и толщины ЖК-слоя Ьс (рис. 2в). Обнаружено, что порог ап2 в диапазоне 20<Т<40°С не зависит от температуры Т. Из толщинкой зависимости порога аПг(Ьс) следует, что в исследуемом диапазоне толщии20<Ьс<125 мкм порог а„2 сначала слабо зависит от толщины, но при Ьс>100 мкм начинает существенно возрастать. Последнее может быть связано,

га

г 300

I ГЦ

600

150

Ис, мкм

Рис. 2 Зависимости а) угла а "выхода" директора из плоскости первоначального сдвига в третье измерение от амплитуды сдвига; б) порога ап2 эффекта "выхода" директора в третье измерение от частоты внешнего воздействия (Ьс=20 мкм); в) порога ап2 от толщины ЖК-слоя.

п отличие от случая процесса образования стационар йот угла наклона, с пространственно быстро.чатухающсй ТЧмтЬ модой. Г) 1,1ло также показано, что н результате моделирования реализуется случай с разностью фаз между х-ой и у-ой компонентами директора Ф-90", т.е. проекция директора на плоскость ХУ представляет из себя эллипс.

§4.3 посвящен исследованию релаксационных процессов вращения директора при эффекте "выхода" из плоскости сдвша. Для этой цели была выбрана ячейка с ЖК-слоем (МВБА) толщиной 1)(-105 мкм. Исследовались релаксационные процессы переориентации директора после отключения воздействия от времени воздействия 1„ ири фиксированном значении амплитуды сдвига а, от амплитуды воздействия а при фиксированном значении , от толщины ЖК-образца Ьс. Рассчитаны зависимости времен релаксации т от амплитуды сдвига а, времени воздействия и толщины ЖК-слоя Ьс. Показано, что релаксационные процессы перехода к равновесному невозмущенному состоянию являются долговременными и составляют десятки секунд.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Экспериментально исследовались сценарии орнентационной неустойчивости нематических жидких кристаллов под действием низкочастотного периодического сдвига. Показана независимость критических амплитуд ориентационных переходов от частоты сдвига, толщины кристаллов, температуры для разных НЖК. Обнаружено образование стационарного угла наклона директора и азимутальной неустойчивости в гомеотропно-ориентированных слоях нематических ЖК под действием низкочастотного периодического сдвига.

2. Изучено температурное поведение угла девиации директора - амплитуды его колебания в окрестности фазового перехода нсмагик - изотропная фаза под действием периодического сдвига. Показано, что величина девиации директора аномально растет при приближении к точке фазового перехода.

3. Показано, что при импульсном сдвиге и гомсотронно-ориентиропанпом слое ЖК, в определенном диапазоне амплитуд происходит образование нестационарных периодических доменных структур, релаксация которых идет через процесс образования одиночных ориентационных поли вдоль слоя ЖК, имеющих свойства аптосолитонов.

4. Впервые дан анализ релаксационных процессов реориентации директора после выключения периодического сдвига. Обнаружена аналогия процессов реориентации директора с механизмами релаксации директора при эффекте Фредерикса.

5. Исследован переход к турбулентному состоянию слоя НЖК. Показано, что в этом случае возникают низкочастотные флуктуационпые моды, ответственные за образование конвективных течений - системы "роллов", а сам процесс перехода к турбулизации сопровождается непрерывным уширением спектра низкочастотных флуктуаций f<25 Гц (частота воздействия » 200 Гц).

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих

работах:

1. Baimakova O.A., Scaldin O.A., Chuvyrov A.N. The orientational instability of nematic layers under oscillatory shear // Abstracts of 15th International Liquid Crystal Conference. Budapest, Hungary. 1994. V. 1. P. 382.

2. Скалдин O.A., Баймакова O.A., Чувыров А.Н. Эффект памяти в жидкокристаллических слоях тематического типа // Письма в журнал технической физики. 1994. Т. 20. В. 24. С. 87-90.

3. Баймакова O.A. Азимутальная неустойчивость гомеотропных слоев нематиков в поле сдвиговой волны // Тезисы 1-ой научной конференции молодых ученых-физиков Республики Башкортостан. Уфа. 1994. С. 62.

4. Baimakova O.A., Scaldin O.A., Chuvyrov A.N. The orientational instability of nematic layers under oscillatory shear // Mol.Cryst.Liq.Cryst. 1995. V. 265. P. 299-314.

5. Baimakova О.A., Chuvyrov A.N. The azimuthal instability of nematic homcotropic layers under oscillatory shear // Abstracts of European Conference of Liquid Crystals. Slovenia, Bovcc. 1995. P. 41.

6. Баймакова O.A. Акустический аналог перехода Фредерикса и жидких кристаллах. в поле сдвигового потока // Тезисы 3-ей Всероссийской конференции студеитов-физиков. Екатеринбург. 1995. С. 139.

7. Баймакова О.А. Неустойчивость тонких слоев иематиков под действием • горизонтального сдвига // Тезисы Международной конференции студентов

и аспирантов по фундаментальным наукам "Ленинские горы-95". Москва. 1995. С. 54.

8. Баймакова О.А. Флуктуационная динамика переориентации директора в поле периодического сдвига // Тезисы 4-ой Всероссийской конференции студентов-физиков. Екатеринбург. 1996. С. 65.

9. Scaldin О.A., Baimakova О.А., Chuvyrov A.N. The shear induced director reorientation in nematics // Abstracts of 16th International Liquid Crystal Conference. USA, Kent. 1996. P. 245.

Ю.Баймакова O.A. Эффект "отрыва" ориентационнон волны при импульсном сдвиге в НЖК // Сб. статей и тезисов научной конференции по научно-техническим программам Госкомвуза России. Уфа, 1996. С. 109-112.

11.Баймакова О.А., Скалдин О.А., Чувыров А.Н. Турбулизация в тонких слоях нематических жидких кристаллов под действием низкочастотного периодического сдвига // Вестник Башкирского госуниверситета, 1996. В. 3(1). С. 35-40.