Осциллирующий поток Пуазейля в нематическом жидком кристалле, ориентированном электрическим полем тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.,.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ В ОСЦИЛЛИРУЮЩЕМ ПОТОКЕ НЕМАТИЧЕСКОГО ЖИДКОГО КРИСТАЛЛА, ОРИЕНТИРОВАННОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ.

1.1. Процессы переориентации нематиков в осциллирующем потоке.

1.2. Воздействие электрического поля на ориентационную структуру жидкого кристалла.

1.3. Комбинированное воздействие осциллирующего потока и электрического поля на структуру нематического жидкого кристалла.

1.4. Постановка задачи и выбор метода исследования.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА

ПРОВЕДЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ.

2.1. Блок-схема и основные требования, предъявляемые к экспериментальной установке для изучения оптических свойств жидкого кристалла.

2.2. Жидкокристаллическая ячейка с сегментными электродами и выбор объекта исследования.

2.3. Методика измерений.

2.4. Контрольные измерения и оценка погрешностей эксперимента.

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ОСЦИЛЛИРУЮЩЕГО ПОТОКА НЕМАТИКА В ПРИСУТСТВИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ. 3.1. Стабилизирующее влияние электрического поля на динамический оптический отклик жидкого кристалла, индуцированный переменным потоком.

3.2. Временные зависимости разности фаз оптического сигнала при вариации амплитуды и управляющего напряжения^

3.2.1. Методика расчета разности фаз оптического сигнала при вариации параметров внешних воздействий.

3.2.2. Зависимость разности фаз от параметров потока и поля.

3.2.3. Особенности динамического поведения разности фаз при различных условиях эксперимента.

3.3. Оптический отклик жидкого кристалла в условиях сильного течения.

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕЧЕНИЯ НЕМАТИКА В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ.

4.1. Постановка задачи об осциллирующем течении нематика, ориентированного электрическим полем.

4.2. Воздействие осциллирующего потока на ориентацию и оптические свойства гомеотропного слоя нематика в отсутствии электрического поля.

4.3. Комбинированное воздействие осциллирующего потока и электрического поля на ориентацию и оптические свойства гомеотропного слоя нематика.

4.4. Ориентационные изменения структуры нематика в условиях воздействия интенсивного течения и электрического поля.

Интенсивное развитие технических средств отображения, хранения и обработки информации требует постоянного совершенствования их характеристик, в частности, за счет использования уникальных физических свойств некоторых материалов в качестве рабочих тел данных устройств [1-5 ].

К таким материалам относятся жидкие кристаллы (ЖК) - органические соединения, сочетающие в себе подвижность обычных жидкостей и присущую кристаллам анизотропию физических свойств, и проявляющие высокую чувствительность к механическим воздействиям и внешним полям [3, 12]. В частности, это свойство положено в основу некоторых способов [54, 59-62] и устройств широкого назначения [78], позволяющих регистрировать малые перепады давления.

Ориентация потоком является фундаментальным свойством, присущим нематическим жидким кристаллам [4]. В проведенных ранее исследованиях установлено, что в потоках нематиков наблюдается ряд специфических эффектов, не имеющих аналогов в потоках изотропных жидкостей. Это, в частности, относится к образованию диссипативных пространственных структур различного типа в условиях далеких от равновесия [48].

К наименее исследованным с экспериментальной точки зрения относятся нестационарные потоки нематиков, возникающие под действием периодических возмущений. Среди них осциллирующие течения Пуазейля - практически не исследованы, за исключением единичных работ. При этом эксперименты в осциллирующих потоках проводились, как правило, в отсутствие управляющих полей, которые могут оказывать эффективное воздействие на структуру и динамику жидких кристаллов.

Вместе с тем использование полей, особенно электрического поля, перспективно с точки зрения создания высокочувствительных жидкокристаллических датчиков механических колебаний с управляемыми характеристиками. Как швестно, электрическое поле оказывает ориентирующее влияние на ЖК и поэтому может изменить его чувствительность к механическим воздействиям. В зависимости от знака анизотропии диэлектрической проницаемости (As) исходных граничных условий, электрическое поле может являться стабилизирующим или дестабилизирующим фактором. С практической точки зрения наибольший интерес представляет использование жидких кристаллов с высоким значением As, необходимым для эффективного изменения оптический свойств ЖК при малых управляющих напряжениях. Этим условиям удовлетворяют синтезированные к настоящему времени жидкокристаллические смеси промышленного назначения с положительным знаком As (величина данного параметра может достигать -10+15).

Следует также отметить, что в ЖК с As>0 не наблюдается ЭГД неустойчивостей при умеренных управляющих напряжениях, что упрощает решение задачи об их поведении под действием полей и потоков.

Кроме прикладного значения, исследования ЖК в условиях комбинированного воздействия осциллирующих сдвиговых течений и полей представляют несомненный научный интерес. Во-первых, актуальной является задача экспериментальной проверки выводов существующей гвдродинамической теории в линейном режиме отклонения ориентации от исходного состояния, вызванного переменным потоком, включая количественное сравнение теории с экспериментом. Известно, что в этом случае определенную роль может играть нежесткость сцепления директора с ограничивающими поверхностями, которую достаточно трудно оценить, в связи с противоречивостью информации о энергии поверхностного сцепления [5]. Кроме того, при комбинированном воздействии потока и электрического поля возможно проявление неэквивалентности влияния электрических и магнитных полей на структуру ЖК, особенно в случае высоких значений As [3]. Во-вторых, представляет интерес экспериментальное определение границ применимости линейного приближения при вариации условий эксперимента.

Наконец, актуальной, как с точки зрения теории, так и практических приложений, является задача исследования динамических процессов в ЖК в условиях, далеких от равновесия, где возможно образование различных диссипативиых структур [48], а также влияние на эти процессы стабилизирующего электрического поля.

В связи с этим, основной задачей представленной работы являлось исследование осциллирующего потока Пуазейля, вызванного приложенным к гомеотропному слою нематического жидкого кристалла знакопеременного перепада давления при дополнительном стабилизирующем воздействии электрического поля.

1. Вистинь Л.К., Чистяков И.Г. Жидкие кристаллы. -М.: Знание, 1975, -63с.

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

3. Блинов Л.М. Электро- и магнитооптика жидких кристаллов. -М.: Наука, 1978, -384с.: ил.

4. Чандрасекар С. Жидкие кристаллы. -М.: Мир, 1980, -344с.: ил.

5. Капустин А.П., Капустина О.А. Акустика жидких кристаллов. -М.: Наука, 1986, -247с.: ил.

6. Электрооптика НЖК в пространственно неоднородном поле. Структура «фотопроводник ЖК»: роль флексоэлектрического эффекта /Чигринов В.Г., Компанец И.Н., Парфенов А.В. и др.// Препринт №112. -М.: ФИАН, 1986, -33с.

7. Конъяр Ж. Ориентация НЖК и их смесей. -Минск: БГУ, 1986, -101с.: ил.

8. Кац Е.И., Лебедев В.В. Динамика жидких кристаллов. -М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988, -144с.: ил.

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

10. Kramer L., Buka A. In Pattern Formation in Liquid Crystals. -Berlin: Springer-Verlag, 1996, 300c.

11. Chigrinov V.G. Liquid Crystals Devices: Physics and Applications. New-York, Artech House, 1999.

12. Томилин М.Г. Взаимодействие жидких кристаллов с поверхностью. -СПб.: Политехника, 2001.-325с.: ил.

13. Беляев В.В. Вязкость нематических жидких кристаллов. -М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002, -224с.: ил.

14. Leslie F.M. Some constitutive equations for liquid crystals. -Arch. Ration. Mech. Anal., 1968, p. 265-283.

15. Пикин С.А. Стационарное течение нематической жидкости во внешнем электрическом поле. -ЖЭТФ, 1971, т. 60, с. 1185.

16. Wahl J., Fischer F. A new optical metod for studying the viscoelastic behaviour of nematic liquid crystals. OpticsCommunications, 1972, v. 5, №5, p. 341-342.

17. Цветков B.H., Рюмцев Е.И., Коломиец И.П., Ковшик А.П. О макроскопической эквивалентности и различии молекулярных механизмов ориентирующего действия электрических и магнитных полей на НЖК // Докл. АН СССР. -1973. -т. 211, №4, с. 821-824.

18. Пикин С.А. К теории электрогидродинамического эффекта в ЖК. -Кристаллография, 1973, т. 18, с. 445.

19. Pieranski P., Guyon Е. Transverse effects in nematic flows. -Phys. Letters, 1974, v. 49A, №3, p. 237-238.

20. Forster D. Microscopic theory of flow alignment in nematic liquid crystals. Phys. Rev. Letters, 1974, v. 32, №21, p. 1161-1164.

21. Cladis P.E., Torza S. Stability of nematic liquid crystals in Couette flow. -Phys. Rev. Letters, 1975, v. 35, №19, p. 1283-1286.

22. Барник М.И., Блинов JI.M., Гребенкин М.И. Электрогидродинамическая неустойчивость в НЖК. -ЖЭТФ, 1975, т. 69, № 3, с. 1080-1087.

23. Pieranski P., Guyon Е., Pikin S.A. Nouvelles instabilites de cisaillement dans les nematiques. Journal de physique., 1976, v.37, p. Cl-3 - Cl-6.

24. Janossy I., Pieranski P., Guyon E. Poiseuille flow in nematics: experimental study of the instabilities. Journal de physique., 1976, v.37, p. 1105-1 111.

25. Hiltrop K., Fischer F. Radial Poiseuille flow of a homeotropic nematic LC layer. -Z.Naturforsch, 1976, v.31, p.800-807.

26. Чигринов В.Г., Беляев B.B. Временные характеристики ориентационных электрооптических эффектов в НЖК. -Кристаллография, 1977, т. 22, № 3, с.603.

27. Барник М.И., Беляев С.В., Гребенкин М.Ф., Румянцев В.Г., Селиверстов В.А., Цветков В.А., Штыков Н.М. Электрические, оптические и вязкостноупругие свойства жидкокристаллической смеси азоксисоединений. -Кристаллография, 1978, т.23, №4, с.805-810.

28. Manneville P. NON-LINEARITIES AND FLUCTUATIONS AT THE THRESHOLD OF A HYDRODYNAMIC INSTABILITY IN NEMATIC LIQUID CRYSTALS. -Le Journal de physique, 1978, v.39, №9, p. 912-925.

29. Saito S., Yamamoto H. Transient behaviors of field-induced reorientation in variously oriented nematic liquid crystals. -Japanese Journal of applied physics, 1978, v. 17, №2, p. 395-406.

30. Dubois-Violette E., Rothen F. Instability of a homeotropic nematic subjected to an elliptical shear: theory. -Le Journal de physique, 1978, v.39, №10, p. 1040-1047.

31. Manneville P. Theoretical analysis of Poiseuille flow instabilities in nematics. -Le Journal de physique, 1979, v.40, p.713-724.

32. Пасечник C.B. Релаксационные свойства ориентированных жидких кристаллов в потоке. -Диссертация на соискание ученой степени кандидата физ. мат. наук. -ML, 1980,175 с.

33. Труфанов А.Н., Барник М.И., Блинов J1.M., Чигринов В.Г.VЭлектрогидродинамическая неустойчивость в гомеотропно ориентированных слоях НЖК. -ЖЭТФ, 1981, т. 80, № 2, с. 704-715.

34. Пасечник С.В., Ноздрев В.Ф., Лагунов А.С. Анизотропия поглощенияультразвука в потоке нематических жидких кристаллов. -Акустическийжурнал, 1981, т. 27, №4, с. 304-308.

35. Баландин В. А., Ларионов А.Н., Пасечник С.В. Акустическая вискозиметрия нематических жидких кристаллов при изменяющихся давлении и температуре. -Письма в ЖТФ, 1982, т.83, №6, с. 2121-2127.

36. Попов А.И., Пасечник С.В., Ноздрев В.Ф., Баландин В.А. Динамика дифракционных явлений, индуцированных ультразвуком в ориентированном магнитным полем нематическом жидком кристалле. -Письма в ЖТФ, 1982, т.8, №16, с.998-1002.

37. Beens W.W., de Jeu W.H. Flow-measurements of the vscosity coefficients of two nematic liquid-crystalline azoxybenzenes. -Le Journal de physique, 1983, v.44, p. 129-136.

38. Hayes C.F. The acousto-optic effect for a nematic liquid crystal in the presence of an applied electric field. p.287-296.

39. Попов A.M., Пасечник C.B. Влияние магнитного поля на размер характеристических зон акустооптического эффекта. -Сб. тезисов 5-ой конференции социалистических стран по жидким кристаллам, Одесса, 1983, т. 1,ч.2, С-69.

40. Барник И.М., Блинов J1.M., Коркишко Т.В. Новый вид граничных условий при ориентационных деформациях в гомеотропных слоях НЖК. ЖЭТФ. -1983, т. 85, с. 176-185.

41. Ларионов А.Н. Релаксационные свойства жидких кристаллов в пространственно-переменных полях при высоких давлениях. Канд. дисс. -ML: МОПИ, 1983, 188с.

42. Ежов С.Г., Пасечник С.В., Баландин В.А. Влияние электрического поля на временные характеристики акустооптического эффекта в нематиках. -Письма в ЖТФ, 1984, т.Ю, №8, с.479-482.

43. Ежов С.Г. Ориентационная релаксация нематических жидких кристаллов при воздействий ультразвука и электрического поля. -Диссертация на соискание ученой степени кандидата физ. мат. наук. -М.: ВЗМИ, 1984, 144 с.

44. Попов А.И., Пасечник С.В., Баландин В.А., Ноздрев В.Ф. Дифракция света на периодических структурах, индуцированных ультразвуком в слое нематического жидкого кристалла. -Кристаллография, 1984, т.29, №1, с. 128-132.

45. Блинов JI.M., Сонин А.А. Определение энергии сцепления нематиков с кристаллическими подложками по данным измерения электрооптических эффектов. -ЖЭТФ, 1984, т. 87, №2(8), с. 476-482.

46. Pasechnik S.V., Larionov A.N., Balandin V.A., Nozdrev V.F. Etude acoustique de cristaux liquides nematiques sous champ magnetique pour differentes temperatures et pressions. Journal de physique., 1984, v.45, p.441-449.

47. Horsthemke W., Doering C.R., Lefever R. and Chi A.S. Effect of external-field fluctuations on instabilities in nematic liquid crystals. -Physical Review, 1985, v. 31, №2, p. 1123-1135.

48. Пасечник C.B., Ежов С.Г. Влияние электрического поля на акустооптический эффект в нематиках. -Сб. тезисов 6-ой конференции социалистических стран по жидким кристаллам, Германия, 1985, F-28.

49. Белова Г.Н., Ремизова Е. И. Акустооптический эффект в неориентированном слое нематического жидкого кристалла при его периодической сдвиговой деформации. -Кристаллография, 1986, т.31, №3, с.517-521.

50. Brand H.R., Pleiner Н. Nonlinear effects in the electrohydrodynamics of uniaxial nematic liquid crystals. -Physical Review A, 1987, v.36., №7, p.3122-3127.

51. Barbero G., Miraldi E., Oldano C. and Taverna Valabrega P. Freederickz Transitions in Crossed Electric and Magnetic Fields. -Z. Naturforsch, 1988, v. 43a, p. 547-554.

52. Шаповалов В.И. Упругооптические эффекты в гомеотропных слоях лиотропных нематиков. -Диссертация на соискание ученой степени кандидата физ. мат. наук. -М., 1989,105с.

53. Блинов JI.M., Давидян С.А., Решетов В.Н., Субачюс Д.Б., Яблонский С.В. Особенности Пуазейлева течения в плоских капиллярах на примереуакустически возбуждаемого жидкого кристалла. -ЖЭТФ, 1990, т.97, №5, с.1597-1606.

54. Орлов В.А., Баландин В.А., Пасечник С.В., Зоткин С.П. Измерение перепада давлений и расходов жидкостных и газовых потоков. Экспресс-Информ.: Строительство и архитектура, 1991, вып. 5, с. 16-28.

55. Krekhov А.Р., Kramer L., Buka A., Chuvirov A.N. Flow alignment of nematics under oscillatory shear. -J. Phys. II France, 1993, v.3, p.1387-1396.

56. Krekhov A.P., Kramer L. Orientational instability of nematics under oscillatory flow. -J. Phys. II France, 1994, v.4, p.677-688.

57. Blinov L.M., Chigrinov V.G. Surface phenomena // In book : Electrooptic Effects in LC Materials. Berlin: SpringerVerlag, 1994, p.97-131.

58. Пасечник C.B., Баландин B.A., Ежов С.Г., Киреев В.И. «Способ определения физико-механических параметров жидкйх кристаллов.», а.с. №1325349, 1987.

59. Орлов В.А., Баландин В.А., Пасечник С.В., Зоткин С.П., Соловьев А.Е., Васильев Н.Н. «Измеритель разности давлений.» Патент РФ, №1719944, 1991.

60. Баландин В.А., Пасечник С.В., Орлов В.А., Аносов Л.И. « Датчик вихревого расходомера.» Патент РФ, №2071035,1996.

61. Баландин В.А., Пасечник С.В., Орлов В.А. Измеритель разности давления. Патент РФ, №2008637,1994.

62. Баландин В.А., Пасечник С.В., Геворкян Э.В. Способ измерения давления. Патент РФ, №2036447,1995.

63. Balandin V.A., Gevorkian E.V., Pasechnik S.V. The optical response of nematics on the low-frequency variations of pressure in a tilted geometry under an electric4field. -Mol.Mat., 1996, v.6, p.45-51.

64. Krekhov A.P., Kramer L. Flow-alignment instability and slow director oscillations in nematic liquid crystals. -Physical Review E, 1996, v.53., №5, p.4925-4931.

65. Bdrzsonyi Т., Buka A., Krekhov A.P., Kramer L. Response of a homeotropic nematic liquid crystal to rectilinear oscillatory shear. -Physical Review E, 1998, v.58, №6, p.7419-7427.

66. Tiezheng Qian and Ping Sheng Generalized hydodynamic equeations for nematic liquid crystals. -Physical Review E, 1998, v.58, №6, p.7475-7485.

67. Тарасов O.C., Крехов А.П. Нематический жидкий кристалл в осциллирующем пуазейлевском потоке. -Кристаллография, 1998, т.43, №3, с.516-523.

68. Пасечник С.В., Торчинская А.В. Жидкокристаллический чувствительный элемент матричного типа. -МГАПИ.: Новые информационные технологии (материалы конференции), 1998, с.48-52.

69. Pasechnik S.V., Torchinskaya A.V. Behaviour of nematic layer oriented by electric field and pressure gradient in the striped liquid crystal cell. Mol. Cryst. Liq. Cryst., 1999, v. 331, p.341-347.

70. Калашников А.Ю. Электрооптические свойства жидкокристаллических ячеек с повышенной крутизной вольтконтрастной характеристики. -Автореферат канд. дисс. МИРЭА, М., 1999.

71. Тарасов О.С., Крехов А.П. Ориентационная неустойчивость нематического жидкого кристалла в осциллирующем сдвиговом потоке. -Кристаллография, 1999, т.44, №6, с.1121-1124.

72. Tarasov O.S., Krekhov А.Р., Kramer L. Nematic liquid crystal under plane oscillatory flows. Mol. Cryst. Liq. Cryst., 1999, v. 328, p. 573-580.

73. Пасечник C.B. Автореферат докт. дисс. МПУ, М, 1999.

74. Pasechnik S.V., Torchinskaya A.V., Tsvetkov V.A., Karandashov D.O. Nematic Liquid Crystals under Decay Pouseuille Flow: new Possibilities for Measurement of Shear Viscosity. Mol. Cryst. Liq. Cryst., 2001, v. 366, p.165-171.

75. Pasechnik S.V., Torchinskaya A.V., Shustrov B.A., Urmanova T.N. Nonlinear Optical Response of Nematic Liquid Crystal on Varying Pressure Difference in the Presence of Electric Field. Mol. Cryst. Liq. Cryst., 2001, v. 367, p. 727-734.

76. Беляев В.В. Физические методы измерения коэффициентов вязкости нематических жидких кристаллов. -М.: Успехи физических наук, 2001, т. 171, №3, с. 267-298.-173

77. Yablonskii S.V., Nakano К., Mikhailov A.S., Ozaki M., Yoshino K. New Applications of FLC: Sensor Based on Ferroelectric Liquid Crystalline Freely Suspended Films. -J. Soc. Elect. Mat. Eng., 2001, v.10, №2, p.155-156.

78. Бурдун Г.Д., Марков Б.Н. Основы метрологии. -М.: Изд-во стандартов, 1985, -256с., ил.