Структурные переходы в жидких кристаллах, индуцируемые акустическими и электрическими полями тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На правах рукописи

ДЕНИСОВА ОЛЬГА АРКАДЬЕВНА

СТРУКТУРНЫЕ ПЕРЕХОДЫ В ЖИДКИХ КРИСТАЛЛАХ, ИНДУЦИРУЕМЫЕ АКУСТИЧЕСКИМИ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ

ПОЛЯМИ

01.04.07 - физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

1 9 ДЕК 2013

Челябинск - 2014

005544010

005544010

Работа выполнена на кафедре физики ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный университет экономики и сервиса», кафедра физики.

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Скалдин

Олег Алексеевич

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

Захлевных Александр Николаевич - доктор физико-математических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Пермский государственный национальный исследовательский университет», профессор, декан физического факультета, заведующий кафедрой физики фазовых переходов Брызгалов Александр Николаевич - доктор физико-математических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Челябинский государственный педагогический университет», профессор кафедры физики и методики обучения физике

Урманчеев Сайд Федорович - доктор физико-математических наук, Институт механики им. Р. Мавлютова УНЦ РАН, директор, заведующий лабораторией механики многофазных систем

ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный университет», кафедра общей физики

Защита состоится «28» февраля 2014 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д. 212.296.03 при ФГБОУ ВПО «Челябинский государственный университет» по адресу. 454001, г. Челябинск, ул. Братьев Кашириных, 129, конференц-зал, 3-й этаж.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Челябинского государственного университета.

Автореферат разослан Ц 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.ф.м.-н., профессор

Беленков Е.А.

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследования.

Жидкие кристаллы (ЖК) - это органические вещества, способные находиться в термодинамически метастабилыюм состоянии между изотропной жидкостью и анизотропной упорядоченной фазами. Объектами исследований в представляемой работе являются термотропные жидкие кристаллы, различные переходы в которых обусловлены нагревом. Главным свойством жидкого кристалла, которое отличает его от изотропного вещества и дает ему сходство с твердым телом, является наличие дальнего пространственного и ориентационного порядка. Эта степень свободы дополняет ЖК уникальными свойствами. Он более чувствителен к внешнему воздействию (термических, акустических, электрических и магнитных полей). Тонкие пленки жидких кристаллов показывают достаточно специфические физические свойства. К таким свойствам можно отнести изменение ориентации молекул при действии магнитных или электрических полей (переходы Фредерикса). Жидкие кристаллы чувствительны даже к незначительным изменениям граничных условий. Они демонстрируют эффекты памяти, благодаря которым их используют в системах отображения информации (табло, таблицы, транспаранты), в медицине, в методах неразрушающего контроля.

В настоящее время достаточно большое разнообразие уже открытых модулированных структур, ориентационных и азимутальных эффектов в жидких кристаллах. Несмотря на их широкое практическое использование, как с теоретической, так и практической точек зрения, актуально исследовать влияния внешнего воздействия на поведение молекулярного ансамбля жидких кристаллов. Так же развитие исследований в области химии жидких кристаллов позволило получить материалы, имеющие жидкокристаллическую структуру при комнатной температуре, а потому удобные в практическом отношении, все больше возрастает шггерес к проблеме отображения информации.

Степень разработанности темы исследования.

Наиболее хорошо изученными являются переходы в электрическом или магнитном полях в связи с использованием этих эффектов в современных дисплеях. Они были открыты Фредериксом и его сотрудниками в 30-е годы. Ими же была проведена серия экспериментов по поиску подобного фазового перехода в быстро осциллирующих полях в нематических жидких кристаллах, но результаты оказались отрицательными. Беловой, Ремизовой [1] экспериментально изучалось акустооптическое воздействие на гомеотропно

ориентированный НЖК периодической деформации. Они наблюдали, что оптическое излучение содержит как постоянную, так и переменную составляющие. Процесс изменения оптической прозрачности слоя проходит три стадии, каждая из которых развивается в определенной области амплитуд воздействия, и имеет пороговый характер. Первая стадия переорие1ггации слоя связана с чувствительностью метода. Далее при пороговой амплитуде сдвига 0,8 мкм (толщина слоя 20 мкм) происходит резкое увеличение постоянной и переменной составляющих оптической прозрачности. Порог зависит от толщины слоя и частоты колебания. При амплитуде смещения 8 мкм (толщина слоя 20 мкм) наблюдается полосатая доменная структура. Пороговое значение амплитуды воздействия, определенное в данной диссертации, равно 0,8 мкм, но оно не зависит от толщины образца и частоты воздействия. Поэтому эффект, обнаруженный в работе [1], не может быть интерпретирован как акустический «переход Фредерикса».

Вновь целенаправленно поиск структурного перехода при осциллирующем воздействии проведен в работах Крамера, Буки, Чувырова, Крехова [2, 3]. Но экспериментального подтверждения акустического аналога «перехода Фредерикса» получено не было. Видимо, дело было в конструкции используемой ими ячейки, которая представляла сборку из двух пластин, разделенных полимерными шариками, и способе возбуждения сдвиговых колебаний. Поэтому этот вопрос на сегодняшний день является открытым, и совершенно не ясно, как он может быть решен в рамках теории вязкоупругого течения нематических жидких кристаллов. Необходимо отметить, в существующей научной литературе в основном представлена информация по сдвиговому возмущению в мегагерцевом диапазоне. Низкочастотная область воздействия на тонкие ЖК-слои представлена очень скудно.

Таким образом, представленной диссертационной работе, была произведена попытка экспериментально обнаружить и исследовать акустический аналог «перехода Фредерикса». В результате сдвигового воздействия частотой »100 Гц на НЖК-слой обнаружено искажение ориентации поля директора в виде образования стационарного угла наклона молекул ЖК относительно нормали к ячейке. Необычность этого явления состоит в том, что в результате данного перехода происходит нарушение симметрии в системе. Сначала под действием сдвига отклонение директора от первоначальной ориентации симметричное. Но при достижении критической амплитуды воздействия а„/ ~ 0,8 мкм появляется стационарный угол наклона директора.

При дальнейшем увеличении амплитуды сдвига до достижения порога а„2 ~ 1,4 мкм наблюдается азимутальная неустойчивость директора, предсказанная в работе [3], которая

была обнаружена впервые. Этот эффект проявляется в том, что директор «выходит» из первоначальной плоскости колебания, конец директора при этом двигается по эллиптической траектории.

В целом вопрос можно ста ппгг, шире, как изучение ориентационных неустойчивостей сложных упорядоченных молекулярных систем под действием низкочастотного периодического сдвига, вплоть до образования макроскопических турбулентных течений, которые сопровождаются появлением надмолекулярного порядка, его разрушением, релаксационных процессов реориентацми возмущения поля директора и перехода к турбулизации. В настоящее время не существует достоверной теории перехода к турбулентности для изотропной жидкости. А жидкий кристалл - среда анизотропная, поэтому задача описания турбулентного состояния жидкого кристалла представляется достаточно сложной. Но, тем не менее, в данной диссертации представлены некоторые результаты исследования этого вопроса.

Экспериментальное изучение релаксационных процессов ЖК-систем после отключения внешнего воздействия (электрическое, магнитное, акустическое поля) актуально для технологии ЖК-дисплеев. Эта информация, к сожалению, слабо представлена в современной научной литературе и датируется 80-ми - 90-ми годами прошлого века, и носит в основном теоретический характер.

Нас так же интересовали эффекты, имеющие место при переключении дисплеев, маскируемые эффектом Фредерикса, информация о которых практически не отражена в научной литературе. Современные дисплеи работают на квадратичном электрооптическом эффекте. В работе [4] исследовано электрическое двойное лучепреломление (эффект Ксрра) в расплаве гребнеобразного полимера с акриловой основной цепью и мезогенными цианобифенильными боковыми группами выше температуры фазового перехода смектик -изотропная фаза. Обнаружено скачкообразное изменение температурной зависимости постоянной Керра, обусловленное изменением ближнего ориентационного порядка при переходе изотропная фаза - изотропная фаза. Нами были впервые экспериментально обнаружены и исследованы линейные элсктрооптнческис эффекты в жидких кристаллах, которые ранее изучались Влохом и Желудевым в твердых телах (например, в кварце). Для этого создавались специальные условия, т.е. электрическое поле делалось большим, а анизотропия диэлектрической проницаемости малой В результате наблюдалась

гиротропия - влияние электропроводности на поведение СЖК типа «С». Впервые экспериментально получены линейные зависимости изменения двулучепреломления от напряжения и волнового вектора от напряженности электрического поля.

Актуально исследование акустооптических явлений в твист-ячейках, так как они применяются в современных дисплеях. Впервые было обнаружено, что при распространении вязких волн в твист-ячейках наблюдается резонансное поведение скорости эти волн, если изменять частоту их генерации.

Вопрос о возможности наблюдения волновой неустойчивости в смектиках типа «А» впервые был рассмотрен теоретически еще в работах [5, 6]. В более поздней работе [7] исследовалась волнообразная неустойчивость смектика С* под действием растяжения. В связи с тем, что порог этой неустойчивости высок, ее достаточно трудно наблюдать даже в толстых образцах (А = 10"2 м). Именно по этой причине до настоящего времени не удалось экспериментально обнаружить волнообразную неустойчивость под внешним воздействием. Пороговое значение для магнитного поля, которое определяется как Н\ = 2лЛ", / ,

зависит от анизотропии магнитной проницаемости Хл и параметра Я = (/<", / Сп . Параметр X в смектиках типа «А» соизмерим с толщиной ЖК-слоя, а Си, Я/ - модули упругости, которые имеют величину А"; = 10"6 эргем"1, Си = 104 эрг ем"3. Чтобы снизить порог волнообразной неустойчивости необходимо увеличить толщину слоя А, X или %„, что в реальных экспериментах осуществить затруднительно. Обычно при воздействии внешнего поля на смектик «А» наблюдается переход Пароди, который связан с образованием дислокационной структуры, возникающей при реориентации молекул [6]. Видимо, авторы работы [8] наблюдали электрический аналог этого эффекта. Пикиным отмечалось, что аналогичные неустойчивости во внешних полях возможны и в смектиках «С», но достоверных экспериментальных результатов нет. Позднее в работе [9] им же теоретически показано, что необходимыми условиями существования и наблюдения, периодических флексоэлектрических модуляций в смектиках «С» (волнообразной неустойчивости) является достаточно малая диэлектрическая анизотропия, достаточно большой наклон молекул, планарная исходная ориентация смектического слоя, относительно невысокий порог по электрическому полю.

Видимо, возможность наблюдения этого перехода в СЖК типа «С» (ГОФЭДОБК) связана с уменьшением модуля упругости Сц в окрестности фазового перехода второго рода СЖК «С» —> СЖК «А», а это приводит к снижению пороговых значений напряжений. Следует упомянуть, что волнообразная неустойчивость в смектиках «С» отличается от неустойчивости, предсказанной для смектика «А»: в смектиках «С» однородное состояние реализуется при больших деформациях [6], а в смектиках «А» формируется дефектная структура.

Целью диссертационной работы является экспериментальное исследование структурных превращений в жидких кристаллах под действием акустических и электрических полей, их динамики и механизмов.

Для достижения поставленной цели были решены задачи:

1. Обнаружение и экспериментальное изучение ориентационной и азимутальной неустойчивостей гомеотропно ориентированного нематического жидкого кристалла при воздействии низкочастотного гармонического сдвига.

2. Изучение процессов релаксации и переходов к турбулентному состоянию тонких слоев нематиков под действием периодического сдвига низкой частоты.

3. Исследование влияния низкочастотного импульсного сдвига на гомеотропно ориентированный тонкий слой ЖК и определение механизмов релаксации.

4. Обнаружение и экспериментальное исследование линейных электрооптических эффектов в НЖК и их механизмов.

5. Исследование и выявление механизмов распространения вязких волн в твист-структурах НЖК.

6. Исследование запоминающих свойств 11ЖК.

7. Изучение волнообразной неустойчивости и электроконвекции в смектических жидких кристаллах типа «С» в электрических полях.

Научная новизна полученных результатов.

1. Впервые обнаружены и экспериментально исследованы ориентационные фазовые переходы - эффект образования стационарного угла наклона директора и эффект азимутальной неустойчивости директора в гомеотропно ориентированных слоях нематических ЖК под действием низкочастотного периодического сдвига, которые имеют пороговый характер возникновения.

2. Впервые обнаружено, что при импульсном сдвиговом движении в диапазоне амплитуд от 200 до 350 мкм происходит образование нестационарных периодических доменных структур, релаксация которых идет через образование одиночных ориентаиионных волн вдоль слоя ЖК.

3. При действии сдвигового акустического поля исследован переход к турбулентному состоянию НЖК. Впервые показано, что в этом случае возникают низкочастотные флуктуационные моды, ответственные за образование конвективных течений - системы роллов, а процесс перехода к турбулизации сопровождается непрерывным уширением спектра низкочастотных флуктуации &к 25 Гц (частота воздействия 200 Гц).

4. Впервые экспериментально обнаружены и исследованы продольный электрооптический эффект и фазовый переход НЖК - ХЖК в электрическом поле, не подавляемые эффектом Фредерикса. Экспериментально определено, что изменение двулучепреломления от напряжения и волнового вектора от напряженности электрического поля носят линейный характер. Природа его, как следует из экспериментов, связана с существованием поверхностной поляризации.

5. Впервые изучены молекулярно-ориентационные механизмы поляризации в холестериках и твист-структурах пематиков. При распространении вязкой волны в холестерическом жидком кристалле с большим шагом спирали и в твист-структурах НЖК возникает волна, изменение скорости которой имеет резонансный характер, при изменении частоты ее генерации.

6. Изучена природа образования поверхностной поляризации и ее характеристики, а также эффекты, вызванные возмущением акустическими полями молекулярной упорядоченности на границе раздела ЖК - твердая подложка. Исследовано влияние электрических полей на ориентационную поляризацию ЖК-систем.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Результаты представляемых исследований могут быть полезны при разработке акустических модуляторов и дефлекторов света с большими глубиной модуляции и углом дефлекции, кислородных датчиков (лямбда-зондов) для автомобильной промышленности, а так же для пьезоэлеменгов. На основе полученных исследований возможно создание сейсмодатчиков, а так же оптических датчиков вибрации, например, для нефтегазовой отрасли, разного рода датчиков акустических колебаний.

Из результатов экспериментального исследования линейного электрооптического эффекта вытекает новое самостоятельное направление дефектоскопии поверхности (контроль качества сварных швов), а также дефектов на полупроводниковых поверхностях (микросхемах).

Эффект образования киральных фаз может быть использован для создания нового поколения электрооптических ячеек для дисплеев.

Запоминающие свойства ЖК, исследованные в работе, проявляющиеся в виде образования доменной структуры, которая существует длительное время после отключения электрического поля, могут быть использованы для создания табло или таблиц для длительного отображения информации.

Результаты представленных экспериментальных исследований различных ориептационных переходов будут полезны для дальнейшей разработки теории нелинейных явлений анизотропных веществ.

Методология и методы исследования. Наиболее эффективными при выполнении работы были следующие методы: оптическая и емкостная модуляционная спектроскопия, эллипсометрия, метод коноскопии на отражение, методы и принципы электрооптики, метод интерферометрии двулучепреломлешм на базе поляризационного микроскопа.

Положения, выносимые на защиту:

1. Ориентационная неустойчивость гомеотропных слоев тематических жидких кристаллов при действии низкочастотного периодического сдвига, которая проявляется в пороговом характере образования стационарного угла наклона молекул жидкого кристалла относительно нормали к ячейке, и является акустическим аналогом «перехода Фредерикса».

2. Азимутальная неустойчивость молекул нематического жидкого кристалла под воздействием низкочастотных сдвиговых осцилляций, заключающаяся в «выходе» директора из первоначальной плоскости колебания, которая является результатом взаимодействия вязкой и ориентационной мод.

3. Линейный электрооптический эффект в ячейках типа «сэндвич» (токопроводящее стекло - гомеотропно ориентированный нематический жидкий кристалл - фотопроводник CdS), как результат влияния фотовозбуждепия поверхности фотопроводника и образовавшейся поверхностной поляризации на ориентацию молекул жидкого кристалла.

4. Структурный фазовый переход в виде образования киральных фаз в плаиарно ориентированных нематичсских жидких кристаллах класса двухкольчатых эфиров, как следствие воздействия электрического поля.

5. Резонансное изменение скорости вязких волн в твист-структурах нематических жидких кристаллах и холестерических жидких кристаллах с большим шагом спирали, как следствие взаимодействия вязкоупругой моды с пространственной twist-модой закрученного нематика.

6. Волнообразная неустойчивость в смектических жидких кристаллах типа «С» в электрическом поле, приложенном нормально к слою жидкого кристалла, которая обусловлена сминанием смектических слоев.

Степень достоверности результатов проведенных исследований: исходные предпосылки диссертационной работы Денисовой O.A. основываются на известных теоретических положениях теории упругости, механики, гидродинамики жидкостей и жидких кристаллов.

Теоретические оценки, приведенные в работе, апробированы сравнением с экспериментальными результатами.

Полученные результаты имеют научную ценность и достоверность, так как правильно отражают физическую картину и возможность образования самоорганизующихся систем в неживой среде.

Апробация работы: Основные результаты работы были представлены на 15 Международной конференции по жидким кристаллам (Венгрия, Будапешт - 1994), Европейской конференции по жидким кристаллам (Словения, Бовек - 1995), 16 Международной конференции по жидким кристаллам (США, Кент - 1996), 17 Меяедународной конференции по жидким кристаллам (Франция - 1997), 8 Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Пермь - 2001), 19 Международной конференции по жидким кристаллам (Единбург - 2002), 13 зимней школе по механике сплошных сред (Пермь - 2003), Всероссийских конференциях «Структура и динамика молекулярных систем» (Яльчик - 2002, 2003, 2004, 2007), 20 Международной конференции по жидким кристаллам (Словения - 2004), 30 Международной зимней школе физиков-теоретиков (Коуровка - 2004), Российской конференции «Механика и химическая физика сплошных сред» (Бирск - 2007), 22 Международной конференции по жидким кристаллам (Корея - 2008), VII Международной научной конференции по лиотропным жидким кристаллам и наноматериалам (Иваново - 2009), 9 Международной научно-технической конференции «Инновации и перспективы сервиса» (Уфа - 2012), VII Международной научной конференции Кинетика и механизм кристаллизации. Кристаллизация и материалы нового поколения (Иваново - 2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано более 70 научных работ: 2 монографии, 38 статей в отечественных и международных журналах и сборниках (в том числе 20 статей в журналах, рекомендованных ВАК для публикации результатов на соискание степени доктора наук) и 23 тезиса докладов.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 294 страницах и состоит из введения, пяти глав, заключения и списка используемой литературы из 372 наименований, содержит 174 рисунка и 4 таблицы.

Краткое содержание работы

Во введении обосновывается актуальность работы, отражены цели и основные задачи, научная новизна, сформулированы положения, выносимые на защиту.

Глава 1 посвящена обобщению экспериментальных и теоретических работ, связанных с изучением воздействия акустических, электрических и магнитных полей на слои жидких кристаллов. Рассмотрены вопросы образования пространственно-модулированных структур и волн, конвекции в жидких кристаллах, релаксационные процессы в поле сдвиговых волн, процессы перехода к турбулентному состоянию в изотропных жидкостях и жидких кристаллах, электрооптические эффекты в жидких кристаллах.

В главе 2 представлена информация о свойствах, методах изучения объектов исследования, способах приготовления образцов, типах ЖК-ячеек, а так же параметрах жидких кристаллов (таблица 1).

Таблица 1 - Объекты исследований

Жидкий кристалл Температурный интервал существования мезофазы диполы1ый момент Анизотропия диэлектрической проницаемости

л-метоксибензилиден-л-бутиланилин (МББА) 18 — 42°С Р ~ 2,6 Д £„=-0,56

4-октил-4'-цианобифенил (ОЦБ) К 22.5°С С 34°С N 41.3°С 1 Р~ 5,ОД е„=8,4

цианофениловый эфир гептилбензойной кислоты (ЦФЭГБК) К45°С N 5б°С I Р" 4,5 Д £.= 19

Нитрофенилоктилокси-бензоат (НФООБ) К 45°С А 61°С N 68°С I Р-4,1 Д 6а=4,6

смеси двухкольчатых эфиров с концевыми группами X, У: Х^С^Ь; Х2=С6НпО; Х,=С4Н9ОС; У^ОСЛ,,; У2=ОС4П,,; У3=ОС2Н5. р~ 3,4Д е„=0,005

Ячейка представляет собой «сэндвич», между пластинами которого помещался ЖК. Описывается экспериментальная методика поляризационно-оптического анализа ЖК-слоя и экспериментальная методика регистрации и первичной обработки оптических эффектов. Исследования осуществлялись методом интерферометра двулучепреломления. Для исследования динамических процессов использовался поляризационно-оптический

микроскоп. Для стабилизации температуры ячейка с ЖК помещалась в термостат. Представляется методика обработки и анализа экспериментальных данных. В данной работе применялись математические методы анализа случайных процессов.

В диссертационной работе впервые был реализован метод фонера и система маятника возбуждения сдвиговых колебаний. Изготавливались смеси двухкольчатых эфиров с анизотропией диэлектрической проницаемости е<,=Ю,005. Был применен прибор для исследования вероятностных характеристик случайных процессов Х6-11 с последующей компьютерной оцифровкой экспериментальных данных.

В главе 3 рассмотрены ориеитационные неустойчивости директора гомеотрогаюго слоя НЖК под действием низкочастотного периодического и импульсного сдвигов. Ячейка представляла собой сборку из трех пластин. Тонкая средняя пластинка совершала колебания в горизонтальной плоскости.

Впервые представлены результаты исследования акустического аналога «эффекта Фредерикса». Дается гармонический анализ оптического сигнала после прохождения светом ячейки НЖК. В качестве примера рассматривается воздействие периодического сдвига низкой частоты 100 Гц на слои тематического ЖК толщиной 20 - 125 мкм. Критерием определения порога а„, образования стационарного угла наклона директора служило появление переменного сигнала на частоте возбуждения. По данным амплитудных зависимостей постоянной компоненты и второй гармоники оптического сигнала рассчитаны средние квадраты стационарной <$т2в<> и переменной частей угла <в02> наклона директора (рисунок 1). Из них следует, что функция <$т2вс>(а) монотонно возрастает, стремясь к максимальному значению - к 1, а <в„2>(а) достигает максимума при значении амплитуды 2,5 мкм, дальше начинает спадать. Это связано с тем, что возрастание стационарного угла наклона директора приводит к уменьшению динамической восприимчивости слоя ЖК. а) б)

Рисунок 1 - Амплитудные зависимости а) среднего квадрата синуса стационарного угла наклона <8т2й>с >, б) переменной части < е„2 > угла наклона директора.

Вопрос об определении типа такого ориентационного перехода в поле сдвиговой полны сводится к изучению частотной зависимости величины порога а„/ образования стационарного угла наклона директора, по аналогии с эффектом Фредерикса в магнитном поле. Если а„1(ю)=соп51, то в этом случае можно говорить об акустическом аналоге «перехода Фредерикса». Факт независимости пороговой амплитуды от частоты воздействия представлен на рисунке 2.

а) б)

1,0

1.0

*: о.? с

200 400

«».Гц

50 100

11, мкм

150

Рисунок 2 - Зависимости порога образования стационарного угла наклона директора а„1 от а) частоты воздействия, б) толщины ЖК-слоя.

Кроме того определялись зависимости порога а„/ от температуры и толщины слоя ЖК. Обнаружено, что пороговая амплитуда сдвига акустического «эффекта Фредерикса» в исследуемом диапазоне температур 18< 7'<45°С не зависит от температуры нагрева образца и при толщинах образца 20< h <125 мкм не зависит от толщины ЖК-слоя, что согласуется с данными теоретической работы [2]. Из рисунка 2 следует, что и порог a„i остается величиной постоянной (a„i ~ 0,8 мкм). Таким образом, на основании экспериментальных данных обнаруженный эффект можно идентифицировать как акустический аналог «перехода Фредерикса».

Изучены релаксационные процессы реориентащш директора при отключении периодического сдвига. Исследовался образец МББА толщиной 125 мкм на частоте возбуждения 190 Гц. Получали зависимости времен релаксации от амплитуды сдвига при фиксированном времени воздействия, от времени воздействия при фиксированной амплитуде и толщины ЖК-слоя при различных амплитудах воздействия (рисунок 3). В этом случае представляется интересным сравнение наблюдаемых времен акустической релаксации и релаксации при классическом переходе Фредерикса, когда для данной толщины и малых амплитудах воздействия меньше 30 мкм, следует значение времени релаксации 30 с. Из сравнительного анализа величин времен релаксации следует, что эти

процессы имеют тесную связь. Релаксация директора после отключения возмущения описываются экспоненциальной временной зависимостью, причем характерные времена релаксации составляют от 5 до 110с. Зависимости времен релаксации от толщины ЖК при различных амплитудах воздействия квадратичные по толщине и хорошо описываются формулой, применимой для случая релаксации при эффекте Фредерикса в магнитном поле г~Л2. Последнее указывает на глубокую связь между этими двумя явлениями, а) б)

-г/

((«и Апышм ■т*-Остит

в)

о 28 ит

□ 42 ыкы

Л 56 МЮ1

й- 70 мки

♦ $4 мкм

Рисунок 3 - Зависимости времен релаксации х от а) амплитуды сдвига, б) времени воздействия, в) толщины ЖК-слоя при различных амплитудах сдвига.

При больших амплитудах сдвига (а = 100 - 600 мкм) возникает турбулентное движение НЖК. Исследовалось воздействие сдвиговой волны низкой частоты 190 Гц на слой ЖК толщиной 35 мкм, находящийся при температуре 39 "С. Процесс турбулизации в тонких слоях гомеотропно ориентированных нематиков под действием осциллирующего сдвига связан с возбуждением в НЖК-системе низкочастотного спектра ориентационных и гидродинамических флуктуаций, которые сопровождаются непрерывным уширсиисм спектра. Кроме того, во флуктуационном спектре возбуждаются низкочастотные моды, ответственные за периодическую конвекцию в НЖК-слое, приводящую к образованию различных периодических структур, например, роллов. Так, при амплитуде 95 мкм образуются поперечные домены - роллы, при амплитуде сдвига 110 мкм появляются

продольные домены, которые при а = 140 мкм разрушаются. Рассматривается возможный механизм акустического «перехода Фредерикса».

Экспериментально изучались нематические слои толщиной Л = 35 - 105 мкм с гомеотропной ориентацией молекул жидкого кристалла под действием импульсного сдвига. Объектом исследования служил 4-октил-4'-цианобифенил (ОЦБ). При относительно малых величинах импульса (длительность импульса At - 0,065 с) слой однородно просветляется (наблюдается вспышка - явление фотоупругости) и оптический сигнал релаксирует до нуля. Для исследования релаксационных процессов строились зависимости времен релаксации и существования оптического сигнала от величины воздействующего импульса. Скорость релаксации деформации определяется двумя временами от линейной деформации т2 и от сдвигового «утонения» ti [10], когда при увеличении амплитуды воздействия вязкость нематика уменьшается (рисунок 4 а). Было обнаружено, что в области значений амплитуд от 200 до 350 мкм имеет место уменьшение времен релаксации. Амплитудная зависимость времени существования оптического сигнала ведет себя аномально (рисунок 4 б). Визуальный анализ за состоянием нематического слоя показывает, что в этом диапазоне амплитуд воздействия слой НЖК разбивается на линейные домены, ортогональные направлению импульса, с периодом - 0,5 мм. Дальнейшая временная динамика образующихся доменов не зависит от движения подвижной пластины, т.е. происходит "отрыв" ориентационной деформации в слое, а) б)

'i i

/

" 0.6-

(Н-,-,______ч______________ __

МО 2М) .ад) -МО

Рисунок 4 - Амплитудные зависимости: а) времен релаксации (Т] - от сдвигового «утонения», т2 - от линейной деформации), б) времени существования оптического сигнала.

При этом распространение ориентационных волн происходит по и против направления сдвигового импульса так, что при этом формируются ориентационные волны, которые, при взаимодействии их фронтов, аннигилируют. В этой ситуации время

релаксации резко уменьшается. При дальнейшем увеличении значений импульса просветление НЖК становится опять однородным и ориентационные волны не формируются.

В главе 4 впервые экспериментально изучен эффект азимутальной неустойчивости директора под действием ншкичасгатшни периодического сдвига, который проявляется в том, что при пороговой амплитуде сдвига а„2 имеет место «выход» директора из первоначальной плоскости сдвига ZY в третье измерение (где Z - нормаль к ячейке, Г -направление сдвига). Рассматривалась экспериментальная ситуация, позволяющая определить, движется ли директор в плоскости колебания или он «выходит» в третье измерение (угол между поляризатором и анализатором составлял 90°, анализатор был совмещен с плоскостью сдвига). Здесь возможны два предельных случая движения директора: либо траектория движения директора представляет собой эллипс при разности фаз между х-вой и у-вой компонентами директора Ф=90° (когда стационарный угол наклона вс=0 или 8^0), либо отрезок прямой (при Ф=0°). Исследовались экспериментальные амплитудные зависимости величин постоянной компоненты оптического сигнала и его гармоник, а так же проводилось компьютерное моделирование компонент оптического сигнала. Из сравнительного анализа экспериментальных и смоделированных зависимостей был сделан вывод, что достигнув порога а„2, директор после «выхода» из плоскости первоначального сдвига, начинает двигаться по эллиптической траектории.

По экспериментальным данным второй гармоники оптического сигнала была рассчитана зависимость угла «выхода» директора а из первоначальной плоскости осцилляции (рисунок 5а). Она имеет пороговый характер возникновения и показывает, что при достижении некоторого порогового значения амплитуды сдвига а„2~ 1,4 мкм директор выходит из плоскости первоначальных осцилляций. Теоретические расчеты предсказывали [3, 11], что порог а„2 не зависит от частоты возбуждения. Последнее было подтверждено экспериментально (рисунок 5 б). Кроме того, были изучены зависимости порога а„2 от толщины ЖК-слоя и температуры (рисунок 5 в). Обнаружено, что пороговое значение амплитуды сдвига а„2 =1,4 мкм азимутальной неустойчивости в интервале от 20 до 40 °С не зависит от температуры. Из толщинной зависимости a„2(h) следует, что в диапазоне толщин от 20 до 125 мкм он сначала в пределах ошибки эксперимента не зависит от толщины ЖК-слоя, затем при достижении значения 90 мкм значительно возрастает. Это может бьггь связано, с возникновением в ЖК-слое пространственной быстрозатухающей twist-моды, т.е. декремент затухания колебания, сравним с размером образца [1,11].

а)

б)

в)

100

Рисунок 5 - а) Амплитудная зависимость угла а «выхода» директора из плоскости сдвига, б) частотная зависимость порога ап2 «выхода» директора в третье измерение, в) зависимость порога а„2 от толщины ЖК-слоя.

Изучались релаксационные процессы переориентации директора при эффекте «выхода» директора из плоскости сдвига после отключения воздействия от времени воздействия при фиксированном значении амплитуды сдвига, от амплитуды сдвига при фиксированном значении времени воздействия, толщины ЖК-образца. Рассчитаны зависимости времен релаксации от амплитуды сдвига, времени воздействия и толщины ЖК-слоя. Показано, что релаксационные процессы перехода к равновесному невозмущенному состоянию являются долговременными и составляют от 10 до 120 с.

В главе 5 были экспериментально исследованы эффекты, маскируемые эффектом Фредерикса в электрическом поле - это электрооптические эффекты в нематических жидких кристаллах (линейный электрооптический эффект и эффект образования киральных структур). Электрооптический эффект - эффект изменения показателя преломления вещества, индуцируемый электрическим полем. Линейным электрооптическим эффектом в твердых кристаллах или эффектом Поккельса, называют эффект, при котором анизотропия показателя преломления среды пропорциональна напряженности приложенного электрического поля. Квадратичным электрооптическим эффектом или эффектом Керра,

называется эффект, когда анизотропия показателя преломления пропорциональна квадрату напряженности приложенного электрического поля.

На молекулы, которые обладают постоянным дипольным моментом или анизотропией поляризуемости, влияет механизм воздействия электрического поля, а именно он влияет на оптические свойства вещества и связан с определенной ориентацией молекул в поле. Вследствие воздействия электрического поля первоначально изотропный ансамбль молекул приобретает свойства одноосного кристалла. Наблюдение упомянутых эффектов становится возможным при использовании жидких кристаллов с анизотропией диэлектрической проницаемости Е^О. Представлены результаты линейного электрооптического эффекта в ячейке, состоящей из токопроводящего стекла, гомеотропно ориентированного НЖК, кристалла сульфида кадмия, который является фотопроводником. На пластины крепились электроды из олова. В качестве ЖК использовалась смесь п-н-бутил-и '-гептаноила-оксибензол+МББА.

С учетом параметра дальнего порядка S'(z) = + , где S/o - параметр

Sh(M / 2)

порядка вблизи поверхности в отсутствии поля, ( с' 1 , т.е. распределение

lar-cj

дипольного момента р убывает от электрода как \р\ = poSi = paSnjeh, X'1- эффективная глубина существования поверхностной поляризации С; и Сз - константы, С, Сз = -Ле

- £(1 + е2к/3), уравнение состояния НЖК будет иметь вид: К9а + Epßme'b6 = 0.

Введем новые константы и переменные а = , у = rj(^), £ -, получаем уравнение,

К

решение которого хорошо известно. Его вид = 0>

а его решение /7[0] = /7о[0с,](^'-1)(</'-3)...(;/,-2л+1)е±1г, V = \lc = -Xla, отсюда при

dz

а«\ получаем для дц ~ , что и соответствует рисунку 6. Типичные кривые для

К

фазовой задержки света с длиной волны 550 им в зависимости от напряжения и величины засветки подложки (в процентах) представлены на рисунке 6. Эти кривые с большой точностью описывают линейное изменение двулучепреломления ячейки.

Таким образом, впервые экспериментально обнаружен линейный электрооптический эффект. Природа его, как следует из экспериментов, связана с существованием поверхностной поляризации.

... До сих пор при конструировании

1 +1

различных систем отображения

8 "

о «а информации используется квадратичный

t: ^ 6 „ 4 _ ifj(fi электрооптический эффект. Так же из

rl i 4 а "

^ 'S1»"« этих исследовании вытекает новое

* * 60"»

-- • „_,„.., самостоятельное направление

«

-]-1-1-,-,-г- дефектоскопии поверхности (контроль

О 4 S Р 10 -0

^ качества сварных швов), а также дефектов

на полупроводниковых поверхностях

Рисунок 6 - Зависимости фазовой

(микросхемах).

задержки от напряжения и величины засветки подложки в процентах.

Гирационный эффект, индуцированный электрическим полем или электрогирация — это эффект пространственной дисперсии, который состоит в возникновении или изменении оптической активности (гирации) в кристаллах под действием переменного или постоянного электрического поля.

Хорошо известно, что отличие НЖК от ХЖК состоит в наличии у холестериков закрутки, в то же время их локальные структура и свойства аналогичны. Сегодня доказано, что ХЖК встречаются только в тематических молекулярных системах, которые характеризуются отличием молекул от своего зеркального отражения. Чтобы получить спиральные структуры нематиков, достаточно растворить оптически активные вещества в матрице ЖК. Другой способ получения - это закрутка одной из подложек с пленарной ориентацией молекул. Необходимо отметить, что на текущий момент не ясно, как оптическая активность вещества, растворенного в ЖК, зависит от шага спирали. Но достоверно известно, что макроскопическая сила кручения прямо пропорциональна значению оптической активности [8]. Величину оптической активности можно выразить через аксиальный тензор третьего ранга gijK, зависимость которого от величины электрического поля £к. В случае НЖК, согласно его симметрии, разрешается

существование лишь двух компонентов тензора электрогирации gijk отличных от нуля: g„v и gxix, при gxzy=-gi!x.

Рассмотрим нематический жидкий кристалл, ориентированный таким образом, что директор направлен перпендикулярно полю НЖК Ein, но Е \ I ОХ. В этом случае НЖК становится оптически активным, а угол поворота (р, плоскости поляризации света, распространяющегося вдоль оси OZ, будет равен (р, = g,!ykzEx, а вдоль оси ОХ:

Ч>у - g„ykxEx, где ку, кх - у- и jr-компоненты единичного вектора вдоль направления распространения света. Появление оптической активности в НЖК приводит к возникновению моментов кручения *, который пропорционален gx,yEx и gx7xEx. Их

компенсируют упругие моменты тса=К2^пх^- - лг—), либо л„=К2<<пг— - лх—),

ду ду дх дх

соответственно, где К22 - коэффициент упругости, пх и ^-компоненты директора. В том и

другом случаях волновой вектор структуры вдоль оси OY или OX: qy~gSIXE/K22,

4x~gxzyEx/K22. Появляются два момента кручения: * и тг1у *. Первый стремится закрутить

НЖК в плоскости XZ, а второй вдоль электрического поля. Поэтому необходимо создать

такие условия, чтобы исключить либо к1у, либо . При наличии обоих моментов

кручения интерпретация эксперимента очень затруднительна.

Для наблюдения эффекта гирации в электрическом поле необходимо использовать жидкие кристаллы с очень малыми электропроводностью и диэлектрической анизотропией. Таким требованиям сегодня удовлетворяют жидкие кристаллы класса двухкольчатых эфиров с различными концевыми группами и с группой СОО в центре, которые обладают сильной поляризуемостью (концевые группы X, Y: Х,=С4Н<>; Х2=СбНпО: Х3^С4//яОС; Yi=OC(,l//j; Y2-OC4H9; Y3—OC2II5). Удельное сопротивление кристаллов после очистки = 610'° Ом-м, а их диэлектрическая проницаемость при е| | - ej. < 0,005 была е| | = ej. = 5,75. Флексоэлектрические коэффициенты в этой смеси НЖК е\ | = ej.= 10"6ед. СГСЕ, т.е. они на порядок ниже, чем, например, в л-метоксибензшщден-бутиланилине (МББА).

Практически одновременно с приложением поля (при слабых граничных условиях) начинается переориентация молекулярного ансамбля ЖК (ось ОХ перпендикулярна пластинам конденсатора, а п \ \ OZ). Каждая их этих картин доменов, наблюдаемых в микроскопе, связана с образованием спиральных структур, имеющих особую точку, от которой и начинается радиальная закрутка НЖК в плоскости YOZ. Если на одной из подложек был микрорельеф, то доменная структура имела вид параллельных полос (рисунок 7). Их волновой вектор прямо пропорционален приложенному полю, при этом, для различной толщины ЖК-образцов ширина доменов одинакова для равных напряженностей электрических полей (рисунок 8). Из зависимости для моментов кручения можно увидеть, что угол ориентации в определенной точке образца ZOY при смене полярности должен изменяться на противоположный. Этот эффект имеет место быть, если изменить полярность электрического поля. В этом случае волновой вектор сначала убывает до нуля (при большом шаге доменных структур), а затем растет до исходного значения. При

увеличении частоты переключения электрического поля (Е = const), то наблюдается рост ширины доменов.

а) б)

Рисунок 7 - Микрофотографии доменных структур при напряженностях поля: а) -102 кВ/м, б) -3-Ю2 кВ/м, в) -6-102 кВ/м, г) -103 кВ/м. На а) стрелкой показано направление а микрорельефа, <? - волнового вектора спиральных структур (масштаб 1:100).

100 ыкм

;оо 40п бет хоо ют» е. кв ы

Рисунок 8 - Зависимости волнового вектора спирали ЖК, индуцированной электрическим полем, от напряженности (значения волнового вектора смещены для 30 мкм на 0,6-10"6 м"1, для 15 мкм - на 0,7-10"6 м"1, для 8 мкм - на 1,2-10 6 м"1).

Если электрическое поле резко выключить (например, Е ~ 107 В4(), то геликоидные структуры

постепенно раскручиваются и картина доменов повторяется в обратном порядке. Характерные времена раскрутки доменов составляют 5 - 20 с, они так же зависят от толщины НЖК-слоя и температуры. Оптическая структура отдельных доменов в сильной степени определяется величиной двулучепреломления, и они имеют полосчатую структуру.

В диссертационной работе были исследованы процессы распространения поперечной вязкой волны в твист - структурах нематических жидких кристаллов и холестерических жидких кристаллах с большим шагом спирали. Обнаружено резонансное изменение скорости вязких волн в твист - структурах жидких кристаллов. В жидкости, ограниченной твердой поверхностью, при ее колебательном движении возникает поперечная волна с глубиной проникновения 5. Эта глубина падает с ростом частоты и растет с увеличением вязкости. В жидком кристалле при низкочастотных колебаниях возникают еще и колебания, связанные с изменением ориентации молекул. Однако глубина проникания такой волны = 10~5 м, значительно меньше глубины проникания вязкой поперечной волны, имеющей величину порядка ■» 1СГ3 м.

Для исследования был выбран жидкий кристалл МББА, в который сделана добавка оптически активного вещества - холестерилхлорида (-2%) так, что величина волнового вектора ХЖК = 3-10"6 м. Для получения различных волновых векторов к' поперечной вязкой волны достаточно менять частоту сдвига.

Рассмотрим случай малых амплитуд колебаний и будем считать ориентацию директора «замороженной», т.е. йпх = дпу - 8п1 = 0. В этом случае волна будет чисто вязкой, но с отличными от нуля компонентами скорости г^, ц, , возбуждаемыми одномерным сдвигом, например, вдоль оси ОХ. Так как на границах при 2=0 1>=0, а при г=сг У = ио ехр(¡ОХ), то значения скоростей имеют вид:

бш к ' г + к'— 2 ц 0) г

бш к' а 5ш( А 2 <7 0

сое к ' г соз( к 2 ц 0 )г

соэ к' а соз( к 2 д 0) а

ехр[ - /а71)],

ехр[ -(/):-1а>1)].

Здесь ^3 = q0r|■! /(г)2 +>!)), к' - волновой вектор распространяющегося колебания, д„ -волновой вектор спирали ХЖК, р - коэффициигг затухания. Из этого выражения следует, что возникающая волна является эллиптической, а в окрестности значений волновых векторов к'~2до имеет место резонансное изменение скоростей, т.е. фактически это резонанс оси спирали. Условия резонансов можно записать следующим образом: ¿'-2?, =пл-/<т, п = 0,1,2,... . При выполнении этого соотношения происходит так же смена фазы регистрируемого сигнала относительно фазы подвижной пластины на 2тс. Полученная частотная зависимость первой гармоники и/ш в холестерическом жидком кристалле имеет типичный резонансный вид (рисунок 9) и определяется спиральностью ЖК-структуры. Эта ситуация возможна, когда длина волны, распространяющейся в НЖК,

сравнима с шагом спирали. Изучались твист-структуры НЖК, полученные в ячейках с планарной ориентацией молекул на поверхности, которая достигалась полировкой пластин алмазной пастой. Для получения твист-структур опорные пластины поворачивались

относительно друг друга на 90°. При большом шаге спирали, т.е. когда « , резонансы

возникают на высоких частотах.

\

А

\ I \ А А

А 11

......о_л

I

3 га,кГц Рисунок 9 - Частотная зависимость первой гармоники и,ш в холестерическом жидком кристалле.

изменяется разность фаз \ц> между сигналом,

Результаты экспериментов полностью подтвердили, что наличие закрученности в НЖК приводит к резонансным явлениям при

распространении поперечных волн с длинами Я, сравнимыми с размерами образца (А = 10 - 15 мкм). Установлено, что при изменении частоты колебаний подвижной пластины возбуждающим колебание, и

регистрируемым сигналом причем в окрестности резонансов скорости происходит

смена разности фаз на 2к.

Исследовалась волнообразная неустойчивость, индуцированная электрическими полями в смектиках типа «С» в окрестности фазового перехода второго рода смектик «С» —» смектик «Л». Между пластинами посредством микрошприца помещался СЖК типа «С». Молекулы жидкого кристалла были ориентированы так, что СЖК-слои располагались параллельно пластинам, образующим ячейку. Ориентация директора СЖК-слоя С составляла угол 9 с вертикальной осью О'/.. В работе изучались смектические слои 4'-п-гексилоксифенилового эфира 4-п-децилоксибснзойной кислоты (ГОФЭДОБК) с температурой перехода смектик «С» —» смектик «А» 62 °С.

Так как двулучепреломление ЖК Дя = Л|| -я± = -с~'(?('7г) + а)'

где С —> С'[Глс -т\'~г>, а ->а'[гАС-г]г, Р = 0,35; у = 1,3, то температурная зависимость, приведенная на рисунке 10 а, показывает, что фазовый переход смектик «С»—»смектик «А» в ГОФЭДОБК является переходом второго рода и имеет критический характер при у=1,3.

Волнообразная неустойчивость была обнаружена при воздействии на смектик «С» и постоянных, и переменных электрических полей. Период полос зависит от напряжения внешнего электрического поля. При малых полях воздействия период полос в пределах ошибки (10 %) не зависит от напряжения и равен толщине кристалла. Для образцов толщиной 20 мкм при напряжении 55 В период полос уменьшается до значения 10 мкм, далее при увеличении напряжения внешнего поля резко увеличивается (рисунок 10 б).

а)

б)

0.2

0,3

1,0

1.5 2.0 дт,°с

2,5

3.0

А

*- ] О мк м -»- 20 МКМ

V

Рисунок 10 - а) Температурная зависимость анизотропии двойного лучепреломления, б) зависимость ширины доменов структуры от напряжения (толщины СЖК-слоев 10 мкм и 20 мкм).

Такая зависимость периода наблюдаемой структуры объясняется тем, что если на смектик «С» с анизотропией диэлектрической проницаемости меньше нуля (ео<0), действует электрическое поле перпендикулярно СЖК-слоям, то переориентация молекул в слоях приведет к их сминанию, вследствие чего образуется модулированная структура. Для порога возникновения волнообразной структуры имеем:

3 е„К,

■<7„ Бт 90-

При (¡0 = 2я7 А. Так как в окрестности перехода смектик «С» —> смектик «А» С'зз —>0, то Ес принимает реальные значения. Этот теоретический вывод хорошо совпадает с результатами экспериментальных исследований, приведенных на рисунке 10, где волновой вектор около порогового значения напряженности д0 ~ 2к!Ь, а пороговое напряжение с увеличением толщины образца пропорционально квадратному корню из толщины образца:

Обнаружено, что в тонких слоях НЖК с большой диэлектрической анизотропией наблюдается явление памяти, которое, связано с ориентационной неустойчивостью слоя и поверхностной поляризацией в электрическом поле. В электрооптических устройствах на жидких кристаллах крайне важен учет поляризационных механизмов, которые влияют на

временные характеристики функционирования таких систем. Это дает возможность создания на основе ЖК элементов оперативной памяти. В данной работе исследовались запоминающие свойства ЖК, проявляющиеся в виде образования доменной структуры, которая существует длительное время после отключения электрического поля. Объектом исследования был цианофениловый эфир гептилбензойной кислоты (ЦФЭГБК) с большой положительной анизотропией диэлектрической проницаемости (Ьх~ 19) и температурным интервалом существования нематической фазы С—IV54/.

Изучались жидкокристаллические слои гомеотропной ориентации толщиной 10 < И < 70 мкм. Для наблюдения доменной структуры слой НЖК помещался в электрическое поле напряженностью Е = 5-Ю6 В/м. Затем через некоторое время источник постоянного напряжения отключался, а электроды накоротко замыкались. Это приводило к просветлению оптической картины и формированию доменной сферолитной структуры (рисунок 11). Наблюдается значительное время существования доменов, достигающее т = 102 - 103 с, которое зависит от проводимости образца а, таким образом, что увеличение проводимости а сопровождается уменьшением эффективного времени х. Уменьшается также относительная величина пропускания ЖК-ячейки. Причиной просветления гомеотропного ЖК слоя нематика после отключения поля, является ориентационная неустойчивость, как следствие неравновесности состояния ЖК. То есть при включении электрического поля происходит поляризация ЖК за счет, ионной поляризации и формирования двойного электрического слоя. Домены представляют собой «зонтики» (рисунок 11). Время существования доменов -с = е,еосг"1 определяется электропроводимостью слоя поверхностной поляризации (е, -диэлектрическая проницаемость слоя поверхностной поляризации).

Экспериментально исследовалась электроконвекция в смектических жидких кристаллах типа «С». Рассмотрены возможные типы электрогидродинамические неустойчивости в СЖК «С» и наблюдаемые оптические картины доменных структур. Поведение СЖК выше порогового значения возникновения электрогидродинамической неустойчивости зависит от геометрии слоя, в результате чего наблюдаются два эффекта.

Рисунок 11 - Микрофотография доменной структуры НЖК, наблюдаемая при замыкании электродов (масштаб 1:100).

Будут наблюдаться динамическое рассеяние света либо поворот доменов. Поворот доменов имеет место в режиме стационарной ЭГД-неустойчивости. Он появляется в результате наличия наклона директора в СЖК-слоях, и смены режима воздействия на смектик электрического поля. В СЖК типа «С» характер электрогидродинамической неустойчивости обуславливается геометрией слоя, а зависимости пороговых полей имеют аналогию с двумерными слоями нематиков.

В заключении представлены основные результаты и выводы работы.

Основные результаты и выводы

1. Экспериментально исследованы сценарии неустойчивостей нематических жидких кристаллов под действием периодического сдвига низкой частоты. Показана независимость критических амплитуд ориентационных переходов для НЖК от частоты сдвига, толщины кристаллов, температуры. Изучены эффекты образования стационарного угла наклона директора, как акустический аналог «перехода Фредерикса», и азимутальной неустойчивости в гомсотропно ориентированных слоях нематических жидких кристаллов под воздействием периодического низкочастотного сдвига.

2. Дан анализ релаксационных процессов в нематических жидких кристаллах после выключения периодического сдвига. Обнаружена аналогия релаксации поля директора при акустическом воздействии с механизмами релаксации ЖК-слоев при эффекте Фредерикса в магнитном поле.

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

4. При импульсном сдвиге в гомеотропно ориентированном слое нематического жидкого кристалла в диапазоне амплитуд от 200 до 350 мкм образуются нестационарные периодические доменные структуры, релаксация которых идет через образование одиночных ориентационных волн вдоль слоя жидкого кристалла.

5. Экспериментально обнаружен и исследован линейный электрооптический эффект. Его природа связана с поверхностной поляризацией, которая возникает на поверхности обкладок ячейки - конденсатора при приложении электрического поля. Зависимости фазовой задержки от напряжения и величины засветки подложки линейные.

6. Обнаружен эффект образования киральных структур в нематических жидких кристаллах, индуцируемый электрическим полем. Экспериментально определено, что зависимость волнового вектора от напряженности электрического поля носит линейный характер.

7. Исследовано влияние флексоэлектрической поляризации на холестерические жидкие кристаллы и твист-структуры нематиков. При распространении поперечной вязкой волны в ХЖК имеет место резонансное изменение ЭДС, индуцируемой флексодеформацией, при изменении частоты сдвиговых колебаний.

8. Изучены природа образования поверхностной поляризации, а также возможные эффекты, связанные с возмущением акустическими полями молекулярной упорядоченности на границе раздела ЖК - твердая подложка.

9. В смектических жидких кристаллах типа «С» при воздействии постоянных или переменных электрических полей обнаружена и экспериментально исследована волнообразная неустойчивость, которая имеет пороговый характер возникновения.

10. Экспериментально изучено, что в смектических жидких кристаллах типа «С» при действии электрического поля возникает электроконвекция, которая определяется геометрией слоя и от приводит к повороту доменов, либо к динамическому рассеянию света.

Список работ, опубликованных но теме диссертации Монографии

1. Чувыров А.Н. Физика жидких кристаллов: поверхность: Научное издание / А.Н. Чувыров, O.A. Денисова, Ф.М. Гирфанова. -Уфа: УГАЭС, 2009. -324 с.

2. Денисова O.A. Неравновесные структурные превращения жидких кристаллов в электрических полях и акустических потоках Научное издание / O.A. Денисова. - Уфа: УГАЭС, 2012,- 188 с.

Статьи, в журналах, рекомендованных ВАК для публикации результатов диссертационных работ

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

4. Баймакова (Денисова), O.A. Турбулизация в тонких слоях нематических жидких кристаллов под действием низкочастотного периодического сдвига / O.A. Баймакова

(Денисова), O.A. Скалдин, А.Н. Чувыров // Вестник Башкирского университета. -1996. -В. 3(1). -С. 16-17.

5. Баймакова (Денисова), O.A. Генерация ориентационных волн в НЖК под действием сдвигового импульса / O.A. Баймакова (Денисова), O.A. Скалдин, А.Н. Чувыров // Кристаллография. -1999. -Т. 44. -№ 3. -С. 544 - 547.

6. Чувыров, А.Н. Волнообразная неустойчивость смектических жидких кристаллов типа «С» в электрических полях / А.Н. Чувыров, O.A. Денисова // Письма в журнал технической физики. -2001. -№ 27. -С. 89 - 94.

7. Денисова, O.A. Электрогирация в нематических жидких кристаллах / O.A. Денисова, А.Н. Чувыров // Жидкие кристаллы и их практическое использование. -2011. -В. 1 (35). -С. 65 - 70.

8. Денисова, O.A. Линейный продольный электрооптический эффект в нематических жидких кристаллах / O.A. Денисова, А.Н. Чувыров // Жидкие кристаллы и их практическое использование. -2011. -В. 2 (36). -С. 59-61.

9. Денисова, O.A. Распространение ультразвуковых волн в твист - структурах жидких кристаллов / O.A. Денисова, А.Н. Чувыров // Жидкие кристаллы и их практическое использование. -2011. -В. 2 (36). -С. 62 - 65.

10. Денисова, O.A. Резонансное изменение скорости поперечных акустических волн в твист - структурах жидких кристаллов / O.A. Денисова, А.Н. Чувыров // Жидкие кристаллы и их практическое использование. -2011. -В. 3 (37). -С. 25 - 29.

11. Денисова, O.A. Электрогидродинамическая неустойчивость в смектических жидких кристаллах типа «С» при различных граничных условиях / O.A. Денисова, А.Н. Чувыров // Вестник Челябинского государственного университета. Серия Физика. -2011. -В. 10.-№ 15(230). -С. 37-41.

12. Денисова, O.A. Возможный механизм возникновения эффекта азимутальной неустойчивости жидких кристаллов / O.A. Денисова, А.Н. Чувыров // Вестник Челябинского государственного университета. Серия Физика. -2011. -В. 10. -№ 15(230). -С. 42 - 44.

13. Денисова, O.A. Влияние электрофотовозбуждения поверхности на граничные условия и ориентацию молекул иематического жидкого кристалла / O.A. Денисова, А.Н. Чувыров // Башкирский химический журнал. -2011. -Т. 18. -№ 3. -С. 77 - 79.

14. Денисова, O.A. Образование киральных фаз в нематических жидких кристаллах в электрических полях / O.A. Денисова, А.Н. Чувыров // Башкирский химический журнал. -2011.-Т. 18. -№3. -С. 98- 101.

15. Денисова, O.A. Релаксация директора при азимутальной нестабильности жидких кристаллов / O.A. Денисова, А.Н. Чувыров // Жидкие кристаллы и их практическое использование. -2012. -В. 1 (39). -С. 52 - 58.

16. Денисова, O.A. Механизмы релаксации ПЖК при действии импульсного сдвига / O.A. Денисова// Научное обозрение. -2012. -№6. -С. 77 - 81.

17. Денисова, O.A. Процессы релаксации ориентации директора нематика при периодическом сдвиге / O.A. Денисова, А.Н. Чувыров // Вестник Северного (Арктического) федерального университета. Серия. Естественные и точные науки. -2012. -№2. -С. 74-79.

18. Денисова, O.A. Акустический аналог перехода Фредерикса в быстро осциллирующих потоках ЖК / O.A. Денисова, А.Н. Чувыров // Жидкие кристаллы и их практическое использование. -2013. -В. 2. -С. 37-41.

19. Денисова, O.A. Эффекты электрогидродинамической нестабильности в СЖК типа «С» / O.A. Денисова, А.Н. Чувыров // Кристаллография. -2013. -Т. 58. -№ 2. -С. 307 -310.

20. Денисова, O.A. Турбулентный режим течения жидких кристаллов при действии гармонического сдвига / O.A. Денисова// Научное обозрение. -2013. -№1. -С. 34-36.

21. Денисова, O.A. Один из методов экспериментальных исследований жидких кристаллов / O.A. Денисова // Электротехнические и информационные комплексы и системы. -2013. -Т. 9. -№ 2. -С. 107-113.

Статьи, в других журналах, материалах конференций и тезисы докладов

22. Денисова, O.A. Оптические датчики вибрации на основе жидких кристаллов с гомеотропной ориентацией молекул / O.A. Денисова, А.Н. Чувыров // Нефтегазовое дело (электронный журнал). -2011. -№ 5. -С. 367 - 375. URL: http:// www.ogbus.ru /authors/ Denisova/ Dcnisova_l.pdf.

23. Baimakova (Denisova), O.A. The oriental instability of nematic layers under oscillatory shear / O.A. Baimakova (Denisova), O.A. Scaldin, A.N. Chuvyrov // Mol. Cryst. Liq. Cryst. -1995. -V. 265. -P. 299 - 314.

24. Денисова, O.A. Два времени релаксации ЖК при импульсном воздействии / O.A. Денисова // Международное научное издание Современные фундаментальные и прикладные исследования. Физико-математические науки. -2012. -№ 3(6). -С. 39-42.

25. Баймакова (Денисова), O.A. Эффект "отрыва" ориентационной волны при импульсном сдвиге / O.A. Баймакова (Денисова) // Сб. статей и тезисов научной конференции программ Госкомвуза России. Уфа: БГУ. -1996. -С. 109 - 112.

26. Баймакова (Денисова), O.A. Релаксационные процессы в НЖК под действием низкочастотного периодического сдвига / O.A. Баймакова (Денисова), А.Н. Чувыров // Сб. статей и тезисов научной конференции по научно-техническим программам Госкомвуза России. Уфа: БГУ. -1997. -С. 3 - 7.

27. Денисова, O.A. Релаксация ЖК под действием импульсного сдвига / O.A. Денисова // Сб. научных трудов региональной конференции Резонансные и нелинейные явления в конденсированных средах. Уфа: БГУ. -1999. -Т. 1. -С. 70 - 72.

28. Денисова, O.A. Нелинейная динамика смектических жидких кристаллов типа «С» в электрических полях / O.A. Денисова, А.Н. Чувыров // Международная Зимняя школа по теоретической физике Коуровка - 2002. Кунгур: Пермский ин-т механики сплошных сред. -2002. -С. 201 - 203.

29. Чувыров, А.Н. Оптическая активность, индуцированная электрическим полем, в молекулах двух кольчатых эфиров в ЖК - фазе / А.Н. Чувыров, O.A. Денисова // Сб. статей IX Всероссийской конференции Структура и динамика молекулярных систем. Казань: КГУ. -2002. -В. 9. -Т. 2. -С. 269 - 272.

30. Чувыров, А.Н. Холестерический эффект в нематических жидких кристаллах, индуцированный электрическим полем / А.Н. Чувыров, O.A. Денисова // Материалы научно-практической конференции Химия и химическая технология. Уфа: БГУ. -2002. -С. 156- 160.

31. Чувыров, А.Н. Эффект Хельфриха - Юро в окрестности фазового перехода второго рода СЖК «А» - СЖК «С» / А.Н. Чувыров, O.A. Денисова // Материалы научно-практической конференции Химия и химическая технология. Уфа: БГУ. -2002. -С. 153 - 156.

32. Денисова, O.A. Резонансное изменение скорости ориентационных волн в твист -структурах жидких кристаллов / O.A. Денисова, А.Н. Чувыров // Сб. научных трудов X Всероссийской конф. Структура и динамика молекулярных систем. Казань: КГУ. -2003. -В. X. -Ч. 2. -С. 46 - 48.

33. Денисова, O.A. Распространение ультразвуковых волн в твист - структурах нематических жидких кристаллов / O.A. Денисова, А.Н. Чувыров // Сб. научных трудов XI Всеросс. конф. Структура и динамика молекулярных систем. Казань: КГУ. -2003. -В. X. -Ч. 2. -С. 22 - 24.

34. Денисова, O.A. Математическое моделирование диссипативных солитонов в нематических жидких кристаллах / O.A. Денисова, JI.T. Ижбердина, А.Н. Чувыров // Сб. научных трудов XI Всероссийской конференции Структура и динамика молекулярных систем. Яльчик: КГУ. -2004. -В. XI. -Ч. 2. -С. 13 - 15.

35. Денисова, O.A. Акустооптический эффект в холестерических жидких кристаллах / O.A. Денисова, А.Н. Чувыров // Сб. научных трудов XIV Всероссийской конференции Структура и динамика молекулярных систем. Яльчик: КГУ. -2007. -В. 1. -Ч. 2. -С. 56 - 59.

36. Денисова, O.A. Акустооптические датчики вибрации па основе нематических жидких кристаллов / O.A. Денисова // Сб. научных статей 9 Международной научно-технической конференции Инновации и перспективы сервиса. Уфа: УГУЭС. -2012. -С. 137141.

37. Денисова, O.A. Режим турбулентности в нематических жидких кристаллах под действием сдвига / O.A. Денисова // Сб. научных статей 9 Международной научно-технической конференции Инновации и перспективы сервиса. Уфа: УГУЭС. -2012. -С. 134137.

38. Baimakova (Denisova), O.A. The orientation instability of nematic layers under oscillatory shear / O.A. Baimakova, O.A. Scaldin, A.N. Chuvyrov // Abstracts of 15th ILLC. Hungary, Budapest. -1994. -V.l. -P. 382.

39. Baimakova (Denisova), O.A. The azimuthal instability of nematic homeotropic layers under oscillatory shear / O.A. Baimakova (Denisova), A.N. Chuvyrov // Abstract of ELLC. Slovenia, Bovec. -1995. -P. 41.

40. Баймакова (Денисова), O.A. Неустойчивость тонких слоев нематиков под действием горизонтального сдвига / O.A. Баймакова (Денисова) // Сборник трудов Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам Ленинские горы - 95. Москва: МГУ. -1995. -С. 54.

41. Baimakova (Denisova), O.A. The shear induced director reorientation in nematics / O.A. Baimakova, O.A. Scaldin, A.N. Chuvyrov // Abstracts of 16th ILLC. USA, Kent. -1996. -P. 245.

42. Baimakova (Denisova), O.A. Orientation waves in NLC under shear impulse / O.A. Baimakova (Denisova), A.N. Chuvyrov // Abstract of 17,b ILLC. France. -1997. -PI - 118. -P. 40.

43. Chuvyrov, A.N. Two special case of spreading ultrasound wave propagation in cholesteric liquid crystals / A.N. Chuvyrov, O.A. Denisova // Abstract of 19,b ILLC. Edinburgh. -2002. -P. 291.

44. Chuvyrov, A.N. Undulating instability of smectic liquid crystals of "C" type in electric fields / A.N. Chuvyrov, O.A. Denisova // Abstract of 19th ILLC. Edinburgh. -2002. -P. 290.

45. Чувыров, A.H. Оптическая активность, индуцированная электрическим полем, в молекулах двух кольчатых эфиров в ЖК - фазе / А.Н. Чувыров, О.А. Денисова // Сб. тезисов IX Всеросс. конференции Структура и динамика молекулярных систем. Уфа: ИМФК УНЦ РАН. -2002. -С. 191.

46. Денисова, О.А. Фотоупругий эффект в ХЖК / О.А. Денисова, А.Н. Чувыров // Сб. тезисов докладов 13 зимней школы по механике сплошных сред. Пермь: Ин-т мех. сплош. сред УрО РАН. -2003. -С. 130.

47. Денисова, О.А. Резонансное поглощение поперечных акустических волн в ХЖК / О.А. Денисова, А.Н. Чувыров // Сб. тезисов докладов 13 Зимней школы по механике сплошных сред. Пермь: Ин-т мех. сплош. сред УрО РАН. -2003. -С. 131.

48. Денисова, О.А. Поглощение поперечных акустических волн в закрученных НЖК / О.А. Денисова, А.Н. Чувыров // Сб. тезисов докладов X Всероссийской конференции Структура и динамика молекулярных систем. Казань: КГУ. -2003. -С. 321.

49. Денисова, О.А. Особенности распространения ультразвуковых волн в ХЖК / О.А. Денисова, А.Н. Чувыров // Сб. тезисов докладов X Всероссийской конференции Структура и динамика молекулярных систем». Казань: КГУ. -2003. -С. 322.

50. Денисова, О.А. Распространение поперечной вязкой волны в холестерических жидких кристаллах / О.А. Денисова // Тезисы докладов ВНКСФ - 10. Москва: МГУ. -2004. -С. 34.

51. Денисова, О.А. Эффект поляризации, возникающий под действием периодического сдвига в окрестности фазового перехода нематический жидкий кристалл -изотропная жидкость / О.А. Денисова // Сб. тезисов докладов ВНКСФ-10. Москва: МГУ. -2004. -С. 35.

52. Денисова, О.А. Влияние быстро осциллирующих потоков на вихри в нематических жидких кристаллах / О.А. Денисова, JI.T. Ижбердина, А.Н. Чувыров // Тезисы докладов XXX Международной зимней школы физиков - теоретиков. Екатеринбург: УрГУ. -2004. -С. 88 - В.

53. Чувыров, А.Н. Топологические дефекты на сферической капле / А.Н. Чувыров, О. А. Денисова, JI.T. Ижбердина // Сб. тезисов докладов XI Всероссийской конференции Структура и динамика молекулярных систем. Яльчик: КГУ. -2004. -С. 56.

54. Чувыров, А.Н. Флексоэлектрический эффект в окрестности фазового перехода нематических жидкий кристалл - изотропная жидкость / А.Н. Чувыров, О.А. Денисова, JI.T. Ижбердина // Сб. тезисов докладов XI Всероссийской конференции Структура и динамика молекулярных систем. Яльчик: КГУ. -2004. -С. 57.

55. Denisova, О.А. Photoelastic effect in cholesteric liquid crystals / O.A. Denisova, A.N. Chuvyrov // Abstract of 20th ILLC. Ljubljana, Slovenia. -2004. -DYN - P054.

56. Denisova, O.A. Resonant absorption of transverse acoustic waves in cholesteric liquid crystals / O.A. Denisova, A.N. Chuvyrov // Abstract of 20lh ILLC. Ljubljana, Slovenia. -2004. -DYN - P055.

57. Чувыров, А.Н. Акустооптический эффект в ХЖК / А.Н. Чувыров, О.А. Денисова // Сб. тезисов докладов XIV Всероссийской конференции Структура и динамика молекулярных систем. Яльчик: КГУ. -2007. -С. 74.

58. Chuvyrov, A.N. Cholesteric effect induced electric field / A.N. Chuvyrov, O.A. Denisova // Abstract of 22* ILLC. Korea. -2008. -P. 1035.

59. Чувыров, А.Н. Эффект электрогирации в тематических жидких кристаллах / А.Н. Чувыров, О.А. Денисова // Сб. тезисов VII междунар. научной конференции по лиотропным жидким кристаллам и наномагериалам. Иваново: ИвГУ. -2009. -С. 165.

60. Денисова, О.А. Стационарный ориентационный переход в быстро осциллирующих потоках жидких кристаллов как аналог перехода Фредерикса / О.А. Денисова, А.Н. Чувыров // Кинетика и механизм кристаллизации. Кристаллизация и материалы нового поколения: сб. трудов VII Междунар. науч. конф. Иваново: Инс-т химии растворов РАН. -2012. -С. 137-138.

Список цитируемой литературы

1. Белова, Г.Н. Особенности акустоопгического воздействия в гомеотропно ориентированном слое НЖК при его периодической сдвиговой деформации / Г.Н. Белова, Е.И. Ремизова//Акустический журнал. -1985. -Т. 31. -В. 3. -С. 289 - 299.

2. Krekhov, А.Р. Flow alignment of nematics under oscillatory shear / A.P. Krekhov, L. Kramer, A. Buka, A.N. Chuvyrov //J. Phys., France. -1993. -V. 3. -N9. -P. 1387 - 1397.

3. Krekhov, A.P. Orientational instability of nematics under oscillatory flow / A.P.Krekhov, L. Kramer//J. Phys., France. -1994. -V. 4. -N6. -P. 677 - 688.

4. Полушин, С.Г. Структурный переход в изотропной фазе смектического полиакрилата / С.Г. Полушин, В.Б. Рогожин, А.В. Захряпа, Е.И. Рюбмецв, Н.И. Бойко // Жидкие кристаллы и их практическое использование. -2012. -В. 4(42). -С. 81-85.

5. Rapini, A. Journ. Phys. (Fr.). -1972. -V. 33. -P. 237 - 242.

6. Barratt, P.J., Duffy, B.R. // Journ. Phys. A.: Math.Gen., -1997. -V. 30. -P. 891 - 901.

7. Jakli, A. Undulation instability of a planar S liquid crystal in the presence of dilation strains/A. Jakli, R. Bartolino, N. Scaramuzza//J. Phys., France.-1989. -V. 50, -Nil. -P. 1313 -1321.

8. Де Жен, П. Физика жидких кристаллов / Де Жен В. -М: Мир, 1977. -377 с.

9. Пикин, С.А. О существовании модулированной флексоэлектрической структуры в смектиках С / С.А. Пикин // Жидкие кристаллы и их практическое использование. -2011. -В. 4(38).-С. 6-13.

Подписано в печать 28.11.13. Формат 60x84 1/16. Бумага писчая. Гарнитура «Тайме». Усл. печ. л. 1,86. Уч.-изд. л. 2,0. Тираж 100 экз. Заказ № 137.

Отпечатано с готовых авторских оригиналов на ризографе в редакционно-издательском отделе Уфимского государственного университета экономики и сервиса 450078, г. Уфа, ул. Чернышевского, 145; тел. (347) 241-69-85.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭКОНОМИКИ И СЕРВИСА»

На правах рукописи

05201450644

Денисова Ольга Аркадьевна

СТРУКТУРНЫЕ ПЕРЕХОДЫ В ЖИДКИХ КРИСТАЛЛАХ, ИНДУЦИРУЕМЫЕ АКУСТИЧЕСКИМИ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ

ПОЛЯМИ

01.04.07 - физика конденсированного состояния

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Научный консультант:

доктор физико-математических наук,

профессор Скалдин О.А.

Уфа-2014

Содержание

Введение 5

Глава 1 Акустооптические эффекты в жидких кристаллах 17

1.1 Поведение нематических жидких кристаллов при периодической деформации 17

1.2 Однородное искажение ориентации нематических жидких кристаллов 22

1.3 Колебательное движение в вязкой жидкости 38

1.4 Пространственно-модулированные структуры и волны 42

1.5 Конвекция в жидких кристаллах 46

1.6 Топологические дефекты и солитоны в жидких кристаллах 53

1.7 Жидкие кристаллы как наноматериалы 58

1.8 Релаксация в поле сдвиговых волн 61

1.9 Турбулизация в изотропных жидкостях и жидких кристаллах 64 1.10 Электрооптические эффекты в жидких кристаллах 68

Выводы по главе 1 76

Глава 2 Объекты и методы экспериментальных исследований 78

2.1 Выбор объектов исследования и методы приготовления образцов 79

2.2 Методы исследования электрооптических и оптических свойств жидких кристаллов 89

2.3 Методика обработки и анализа экспериментальных данных 96

2.4 Методы поляризационно-оптического анализа слоя нематического жидкого кристалла при периодическом сдвиге 102 Выводы по главе 2 106

Глава 3 Ориентационная неустойчивость директора под

действием сдвига 108

3.1 Расчет распределения поля директора в ячейке с жидким кристаллом, индуцируемого сдвиговыми колебаниями 108

3.2 Экспериментальная методика регистрации и первичной обработки оптических сигналов 110

3.3 Гармонический анализ оптического сигнала 117

3.4 Экспериментальные результаты изучения акустооптического эффекта методом двойного лучепреломления в тонких гомеотропных слоях жидких кристаллов 121

3.5 Релаксационные процессы реориентации директора при периодическом сдвиге 132

3.6 Турбулизация в тонких слоях нематических жидких кристаллов под действием низкочастотного периодического сдвига 138

3.7 Генерация ориентационных волн в нематических жидких кристаллах под действием сдвигового импульса 143

3.8 Механизм акустического «перехода Фредерикса» под действием сдвига 152 Выводы по главе 3 165

Глава 4 Азимутальная неустойчивость директора в поле

сдвиговой волны 167

4.1 Два предельных случая возможного движения директора при выходе из плоскости сдвига 167

4.2 Экспериментальные результаты исследования азимутальной неустойчивости директора в поле сдвиговой волны 172

4.3 Релаксационные процессы реориентации директора при эффекте выхода директора из плоскости сдвига 181 Выводы по главе 4 190

Глава 5 Молекулярно-ориентационная поляризация в жидких

кристаллах 191

5.1 Линейный электрооптический эффект в нематических 191 жидких кристаллах

5.2 Структурный фазовый переход образования киральных фаз в планарно ориентированных нематических жидких кристаллах 197

5.3 Два частных случая распространения ультразвуковых колебаний в холестерических жидких кристаллах (приближение длинных волн) 205

5.4 Резонансное изменение скорости ориентационных волн в твист-структурах жидких кристаллов 212

5.5 Поляризация, индуцированная сдвиговыми течениями, вблизи фазового перехода нематический жидкий кристалл -изотропная жидкость 230

5.6 Распространение ультразвуковых волн в холестерических жидких кристаллах 235

5.7 Волнообразная неустойчивость смектических жидких кристаллов типа «С» в электрических полях 239

5.8 Эффект памяти в нематических жидких кристаллах 245

5.9 Электроконвекция в смектических жидких кристаллов типа

«С» 249

Выводы по главе 5 258

Основные результаты и выводы 260

Список литературы 262

Введение

Актуальность темы исследования.

Жидкие кристаллы (ЖК) - это органические вещества, способные находиться в термодинамически метастабильном состоянии между изотропной жидкостью и анизотропной упорядоченной фазами. Объектами исследований в представляемой работе являются термотропные жидкие кристаллы, различные переходы в которых обусловлены нагревом. Главным свойством жидкого кристалла, которое отличает его от изотропного вещества и дает ему сходство с твердым телом, является наличие дальнего пространственного и ориентационного порядка. Эта степень свободы дополняет ЖК уникальными свойствами. Он более

чувствителен к внешнему воздействию (термических, акустических,

/

электрических и магнитных полей). Тонкие пленки жидких кристаллов показывают достаточно специфические физические свойства. К таким свойствам можно отнести изменение ориентации молекул при действии магнитных или электрических полей (переходы Фредерикса). Жидкие кристаллы чувствительны даже к незначительным изменениям граничных условий. Они демонстрируют эффекты памяти, благодаря которым их используют в системах отображения информации (табло, таблицы, транспаранты), в медицине, в методах неразрушающего контроля.

В настоящее время достаточно большое разнообразие уже открытых модулированных структур, ориентационных и азимутальных эффектов в жидких кристаллах. Несмотря на их широкое практическое использование, как с теоретической, так и практической точек зрения, актуально исследовать влияния внешнего воздействия на поведение молекулярного ансамбля жидких кристаллов. Так же развитие исследований в области химии жидких кристаллов позволило получить материалы, имеющие жидкокристаллическую структуру при комнатной температуре, а потому удобные в практическом отношении, все больше возрастает интерес к проблеме отображения информации.

Степень разработанности темы исследования.

Наиболее хорошо изученными являются переходы в электрическом или магнитном полях в связи с использованием этих эффектов в современных дисплеях. Они были открыты Фредериксом и его сотрудниками в 30-е годы. Ими же была проведена серия экспериментов по поиску подобного фазового перехода в быстро осциллирующих полях в нематических жидких кристаллах, но результаты оказались отрицательными. Беловой, Ремизовой [1] экспериментально изучалось акустооптическое воздействие на гомеотропно ориентированный НЖК периодической деформации. Они наблюдали, что оптическое излучение содержит как постоянную, так и переменную составляющие. Процесс изменения оптической прозрачности слоя проходит три стадии, каждая из которых развивается в определенной области амплитуд воздействия, и имеет пороговый характер. Первая стадия переориентации слоя связана с чувствительностью метода. Далее при пороговой амплитуде сдвига 0,8 мкм (толщина слоя 20 мкм) происходит резкое увеличение постоянной и переменной составляющих оптической прозрачности. Порог зависит от толщины слоя и частоты колебания. При амплитуде смещения 8 мкм (толщина слоя 20 мкм) наблюдается полосатая доменная структура. Пороговое значение амплитуды воздействия, определенное в данной диссертации, равно 0,8 мкм, но оно не зависит от толщины образца и частоты воздействия. Поэтому эффект, обнаруженный в работе [1], не может быть интерпретирован как акустический «переход Фредерикса».

Вновь целенаправленно поиск структурного перехода при осциллирующем воздействии проведен в работах Крамера, Буки, Чувырова, Крехова [2, 3]. Но экспериментального подтверждения акустического аналога «перехода Фредерикса» получено не было. Видимо, дело было в конструкции используемой ими ячейки, которая представляла сборку из двух пластин, разделенных полимерными шариками, и способе возбуждения сдвиговых колебаний. Поэтому этот вопрос на сегодняшний день является открытым, и совершенно не ясно, как он может быть решен в рамках теории вязкоупругого течения нематических жидких кристаллов. Необходимо отметить, в существующей научной литературе

в основном представлена информация по сдвиговому возмущению в мегагерцовом диапазоне. Низкочастотная область воздействия на тонкие ЖК-слои представлена очень скудно.

Таким образом, в представленной диссертационной работе, была произведена попытка экспериментально обнаружить и исследовать акустический аналог «перехода Фредерикса». В результате сдвигового воздействия частотой -100 Гц на НЖК-слой обнаружено искажение ориентации поля директора в виде образования стационарного угла наклона молекул ЖК относительно нормали к ячейке. Необычность этого явления состоит в том, что в результате данного перехода происходит нарушение симметрии в системе. Сначала под действием сдвига отклонение директора от первоначальной ориентации симметричное. Но при достижении критической амплитуды воздействия ап1 «0,8 мкм появляется стационарный угол наклона директора.

При дальнейшем увеличении амплитуды сдвига до достижения порога аП2 « 1,4 мкм наблюдается азимутальная неустойчивость директора, предсказанная в работе [3], которая была обнаружена впервые. Этот эффект проявляется в том, что директор «выходит» из первоначальной плоскости колебания, конец директора при этом двигается по эллиптической траектории.

В целом вопрос можно ставить шире, как изучение ориентационных неустойчивостей сложных упорядоченных молекулярных систем под действием низкочастотного периодического сдвига, вплоть до образования макроскопических турбулентных течений, которые сопровождаются появлением надмолекулярного порядка, его разрушением, релаксационных процессов реориентации возмущения поля директора и перехода к турбулизации. В настоящее время не существует достоверной теории перехода к турбулентности для изотропной жидкости. А жидкий кристалл - среда анизотропная, поэтому задача описания турбулентного состояния жидкого кристалла представляется достаточно сложной. Но, тем не менее, в данной диссертации представлены некоторые результаты исследования этого вопроса.

Экспериментальное изучение релаксационных процессов ЖК-систем после отключения внешнего воздействия (электрическое, магнитное, акустическое поля) актуально для технологии ЖК-дисплеев. Эта информация, к сожалению, слабо представлена в современной научной литературе и датируется 80-ми - 90-ми годами прошлого века, и носит в основном теоретический характер.

Нас так же интересовали эффекты, имеющие место при переключении дисплеев, маскируемые эффектом Фредерикса, информация о которых практически не отражена в научной литературе. Современные дисплеи работают на квадратичном электрооптическом эффекте. В работе [4] исследовано электрическое двойное лучепреломление (эффект Керра) в расплаве гребнеобразного полимера с акриловой основной цепью и мезогенными цианобифенильными боковыми группами выше температуры фазового перехода смектик - изотропная фаза. Обнаружено скачкообразное изменение температурной зависимости постоянной Керра, обусловленное изменением ближнего ориентационного порядка при переходе изотропная фаза - изотропная фаза. Нами были впервые экспериментально обнаружены и исследованы линейные электрооптические эффекты в жидких кристаллах, которые ранее изучались Влохом и Желудевым в твердых телах (например, в кварце). Для этого создавались специальные условия, т.е. электрическое поле делалось большим, а анизотропия диэлектрической проницаемости малой еа«0. В результате наблюдалась гиротропия - влияние электропроводности на поведение СЖК типа «С». Впервые экспериментально получены линейные зависимости изменения двулучепреломления от напряжения и волнового вектора от напряженности электрического поля.

Актуально исследование акустооптических явлений в твист-ячейках, так как они применяются в современных дисплеях. Впервые было обнаружено, что при распространении вязких волн в твист-ячейках наблюдается резонансное поведение скорости эти волн, если изменять частоту их генерации.

Вопрос о возможности наблюдения волновой неустойчивости в смектиках типа «А» впервые был рассмотрен теоретически еще в работах [5, 6]. В более

поздней работе [7] исследовалась волнообразная неустойчивость смектика С под действием растяжения. В связи с тем, что порог этой неустойчивости высок, ее достаточно трудно наблюдать даже в толстых образцах (к = 10' м). Именно по этой причине до настоящего времени не удалось экспериментально обнаружить волнообразную неустойчивость под внешним воздействием. Пороговое значение для магнитного поля, которое определяется как Яс2 = 2лКх/%аАк, зависит от

анизотропии магнитной проницаемости %а и параметра Л = (К{/. Параметр X в смектиках типа «А» соизмерим с толщиной ЖК-слоя, а С33, К) — модули упругости, которые имеют величину К{ » 10"6 эрг-см"1, С33 « 104 эрг-см"3. Чтобы снизить порог волнообразной неустойчивости необходимо увеличить толщину слоя И, X или %а> что в реальных экспериментах осуществить затруднительно. Обычно при воздействии внешнего поля на смектик «А» наблюдается переход Пароди, который связан с образованием дислокационной структуры, возникающей при реориентации молекул [6]. Видимо, авторы работы [8] наблюдали электрический аналог этого эффекта. Пикиным отмечалось, что аналогичные неустойчивости во внешних полях возможны и в смектиках «С», но достоверных экспериментальных результатов нет. Позднее в работе [9] им же теоретически показано, что необходимыми условиями существования и наблюдения, периодических флексоэлектрических модуляций в смектиках «С» (волнообразной неустойчивости) является достаточно малая диэлектрическая анизотропия, достаточно большой наклон молекул, планарная исходная ориентация смектического слоя, относительно невысокий порог по электрическому полю.

Видимо, возможность наблюдения этого перехода в СЖК типа «С» (ГОФЭДОБК) связана с уменьшением модуля упругости С33 в окрестности фазового перехода второго рода СЖК «С» -» СЖК «А», а это приводит к снижению пороговых значений напряжений. Следует упомянуть, что волнообразная неустойчивость в смектиках «С» отличается от неустойчивости, предсказанной для смектика «А»: в смектиках «С» однородное состояние

реализуется при больших деформациях [6], а в смектиках «А» формируется дефектная структура.

Целью диссертационной работы является экспериментальное исследование структурных превращений в жидких кристаллах под действием акустических и электрических полей, их динамики и механизмов.

Для достижения поставленной цели были решены задачи:

1. Обнаружение и экспериментальное изучение ориентационной и азимутальной неустойчивостей гомеотропно ориентированного нематического жидкого кристалла при воздействии низкочастотного гармонического сдвига.

2. Изучение процессов релаксации и переходов к турбулентному состоянию тонких слоев нематиков под действием периодического сдвига низкой частоты.

3. Исследование влияния низкочастотного импульсного сдвига на гомеотропно ориентированный тонкий слой ЖК и определение механизмов релаксации.

4. Обнаружение . и экспериментальное исследование линейных электрооптических эффектов в НЖК и их механизмов.

5. Исследование и выявление механизмов распространения вязких волн в твист-структурах НЖК.

6. Исследование запоминающих свойств НЖК.

7. Изучение волнообразной неустойчивости и электроконвекции в смектических жидких кристаллах типа «С» в электрических полях.

Научная новизна полученных результатов.

1. Впервые обнаружены и экспериментально исследованы ориентационные фазовые переходы - эффект образования стационарного угла наклона директора и эффект азимутальной неустойчивости директора в гомеотропно ориентированных слоях нематических ЖК под действием низкочастотного периодического сдвига, которые имеют пороговый характер возникновения.

2. Впервые обнаружено, что при импульсном сдвиговом движении в диапазоне амплитуд от 200 до 350 мкм происходит образование нестационарных периодических доменных структур, релаксация которых идет через образование одиночных ориентационных волн вдоль слоя ЖК.

3. При действии сдвигового акустического поля исследован переход к турбулентному состоянию НЖК. Впервые показано, что в этом случае возникают низкочастотные флуктуационные моды, ответственные за образование конвективных течений - системы роллов, а процесс перехода к турбулизации сопровождается непрерывным уширением спектра низкочастотных флуктуаций аК25 Гц (частота воздействия 200 Гц).

4. Впервые экспериментально обнаружены и исследованы продольный электрооптический эффект и фазовый переход НЖК - ХЖК в электрическом поле, не подавляемые эффектом Фредерикса. Экспериментально определено, что изменение двулучепреломления