Ультразвук и динамические процессы при фазовых переходах и структурных превращениях в ориентированных жидких кристаллах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

РГ6 ОД На правах рукописи

УДК 532.783:534.6

2 I СЕН 1998

ПАСЕЧНИК СЕРГЕЙ ВЕНИАМИНОВИЧ

УЛЬТРАЗВУК И ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДАХ И СТРУКТУРНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЯХ В ОРИЕНТИРОВАННЫХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛАХ

01.04.14 - Теплофизика и молекулярная физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

МОСКВА 1998 г.

Работа выполнена в Проблемной научно-исследовательской лаборатории молекулярной акустики и на кафедре "Биомедицинские приборы и технологии" Московской государственной академии приборостроения и информатики.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Вистинь Л.К. доктор физико-математических наук, профессор Чигринов В.Г. доктор технических наук, старший научный сотрудник Беляев В.В.

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт физики Санкт-Петербургского Государственного Университета.

Защита состоится октября 1998 г. на заседании диссертационного Совета Д113.11.07 по присуждению ученой степени доктора физико-математических наук в Московском Педагогическом Университете по адресу:

107846 , г. Москва, ул. Радио, 10 "А", в ч. 00 мин. С диссертацией можно ознакомится в библиотеке МПУ

Автореферат разослан 40 " 1998 ]

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат физико-математических наук, .

доцент Р~ Д.Л.Богданов

На протяжении последних десятилетий жидкие кристаллы (ЖК) привлекают к себе пристальное внимание широкого круга специалистов, занимающихся как фундаментальными исследованиями физических свойств конденсированных сред, так и практическим применением новых материалов в приборостроении. Промежуточное положение жидкокристаллического состояния вещества, многообразие мезофаз, отличающихся орнентационными и трансляционными структурами, разнообразные типы полнмезоморфизма, присущие различным химическим соединениям делшот жидкие кристаллы исключительно интересными объектами с точки зрения экспериментального исследования фазовых превращении различного типа и проверки адекватности основных положений современной теории фазовых переходов. При этом наибольший интерес представляют полимезоморфные превращения, не сопровождающиеся сильными скачками первых производных от термодинамических потенциалов, которые в тон или иной степени, приближаются к классическим фазовым переходам 2-го рода. В жидкокристаллических соединениях к указанным превращениям можно отнести фазовый переход смектик А - смеют С (А-С) и, с некоторыми оговорками, переход нематик - смектик А (М-А). Наиболее изученный фазовый переход нематик - изотропная жидкость (N-1) сопровождается относительно малыми скачками плотности и энтропии, что позволяет отнести его к слабому переходу 1-го рода, в окрестности которого имеют место характерные критические явления. Для всех, отмеченных выше полиморфных превращешш наблюдачись сильные предпереходные аномалии в поведении : как равновесных (теплоемкость, сжимаемость), так и неравновесных (вязкость, теплопроводность) параметров жидких кристаллов, причем последние изучены в существенно меньшей степени.

Хорошо известно, что акустические методы являются эффективным средством исследования критических динамических процессов в области фазовых переходов, что подтверждается и выполненными ранее ультразвуковыми исследованиями жидких кристаллов в окрестности температуры просветления. Информативность акустических измерений существенно возрастает с понижением частоты ультразвуковых колебаний, приводящему к значительному возрастанию аномальных вкладов в акустические параметры за счет критического замедления динамических процессов. Однако, в связи с методическими трудностями, в области фазовых переходов выполнены лишь единичные измерения акустических параметров при частотах ультразвука, меньших 1 МГц, которые, в целом, не решают проблему экспериментального исследования динамических процессов критического типа.

Особую актуальность пошгжение частоты ультразвука приобретает при исследованиях фазовых переходов 2-го рода (или близких ко 2-му роду) смектик А - смектик С и нематик - смектик А, т.к. в этом случае характеристические времена динамических процессов критически возрастают при приближении к температуре перехода. Таким образом возможность экспериментального изучения критической динамики в окрестности фазовых

переходов напрямую связана со смещением частотного диапазона ультразвуковых колебаний в область низких частот, что убедительно подтверждается представленными результатами. При этом открывается уникальная возможность экспериментальной проверки следствий различных вариантов динамической теории критических явлений в жидких кристаллах, которая в пределе низких частот приводит для аномалий акустических параметров к простым температурным зависимостям степенного типа с вполне определенными кршгическими показателями.

Выполненные в данной работе акустические исследования полимезоморфных превращений на предельно низких частотах ультразвука (до 0.15 МГц) были во многом направлены на решение указанной задачи. При этом следует подчеркнуть актуальность акустических исследований критических процессов в ориентированных образцах жидких кристаллов, позволяющих получить принципиально новую информацию. Особенно перспективным проведение таких исследований представляется в области фазового перехода смектнк А -смектик С, для которого критические процессы носят ярко выраженный ашоотропный характер, а универсальные динамические модели фазовых переходов требуют существенной коррекции.

Новые возможности открываются и при сравнительных исследованиях жидкокристаллических систем с изменяемым типом полимезоморфизма. К таким системам относятся бинарные смеси мезогенных соединений, образующих особые точки на фазовых диаграммах состав - температура. В частности, в окрестности мультикритической NAC точки происходит как изменение рода перехода, так и типа полимезоморфного превращения, что открывает прекрасные возможности для исследования влияния симметрии низкотемпературной смектической фазы на характер критических аномалий при образовании слоевой структуры. При этом вариация концентраций компонент смеси позволяет изменять температурные интервалы существования различных мезофаз и исследовать взаимное влияние полимезоморфных превращений.

Следует отметить практически полное отсутствие информации о поведении акустических параметров в системах такого рода. Одной из задач данной работы являлась ликвидация указанного пробела.

Выполненные ранее исследования однозначно свидетельствуют об эффективности акустических методов при исследованиях не только полимезоморфных превращений, но и изменений макроструктуры жидкокристаллических образцов, вызванных различными ориентирующими факторами. В этом смысле большой интерес представляют акустические исследования вариаций макроструктуры смектической С фазы, индуцированных магнитными полями. Как известно, смектик С - это единственная из смектических мезофаз, способная изменять свои свойства под действием относительно слабых магнитных и электрических полей, что обусловлено особенностью взаимодействия слоевой и ориентационной структур. Электрооптические свойства тонких слоев смектиков С хорошо изучены и нашли широкое практическое применение. В то же время поведение образцов

смектиков С больших линейных размеров под действием ориентирующих полей исследовано в гораздо меньшей степени. Очевидно, что это поведение существенно сложнее и многообразнее, чем в случае нематической фазы и зависит от целого ряда дополнительных факторов (предыстории формирования образца, типа смектическои С фазы, степени монодоменности и параметра порядка смектика С). Акустические методы, обладающие высокой чувствительностью к ориентацнонным изменениям позволяют провести детальное исследование статического и динамического отклика объемных образцов смектическои С фазы на воздействие магнитных полей различной ориентации и напряженности.

Как показано в данной работе такие исследования открывают путь к совершенствованшо модельных представлений о структуре и динамике смектиков С.

Наконец, ультразвук может использоваться и в качестве фактора, воздействующего на ориентационную структуру жидких кристаллов. В этой связи несомненный интерес представляет исследование динамического отклика ориентационной структуры нематических жидких кристаллов на комбинированное воздействие акустического, электрического и магнитного полей, применение которого наиболее эффективно в области структурных превращений (например переходов Фредерикса). Результаты таких исследований могут найти непосредственное использование при расширении области практических применений жидких кристаллов.

Объекты исследования.

Объектами исследований фазовых переходов являлись следующие соединения, обладающие различным типом полимезоморфизма:

1. Р-п- бутоксибензилиден-л-бутиланилин (БББА).

Сг^Бс^Бв-^ Эд <-»N<-»1

2. 4- нитрофенил-4-л-октилоксибензоат (НФОБ).

С г-н» 5д<->Н<->[

3. п -бутилоксифениловый эфир и -нонилоксибензойной кислоты

(409).

4. п -гексилоксифекиловый эфир п -децилоксибензойной кислоты

(6010).

Сг^Бз^Бс^ Бд «->N<->1

где Бз - неидентифицированная смектическая фаза.

5. п -гексилоксифеншювый эфир п -октилоксибензойной кислоты

(608).

Сг^Бс «->N^1

Кроме Того исследовались фазовые превращения в бинарной системе (608:6010), образуемой двумя последними соединениями, в которой реализуется мультикритическая ИАС-точка.

- б -

Объектами акустооптических исследований являлись МББА и Н-37 (1:1 смесь данного соединения с ЭББА).

Цель работы.

Основной задачей диссертации является исследование динамических процессов, присущих фазовым и структурным превращениям в жидких кристаллах. В свою очередь решение данной задачи включает :

1. измерение анизотропных акустических параметров в области полимезоморфных превращений различного типа;

2. экспериментальное определение критических аномалий акустических параметров и проверку выводов динамической теории фазовых переходов;

3. экспериментальное исследование особенностей критических явлений в жидких кристаллах при изменении типа полиморфизма и температурных интервалов существования мезофаз;

4. изучение акустическим методом структурных изменений в смектической С фазе, индуцированных магнитными полями различной напряженности и направления;

5. развитие на основе экспериментальных данных модельных представлений о воздействии магнитного поля на макроструктуру смектиков С, учитывающих неидеальность слоевой структуры и ненасыщающий характер магнитного поля;

6. исследование динамики изменений ориентационной структуры нематиков в условиях комбинированного действия акустического, электрического и магнитного полей, позволяющее расширить области практического использования жидких кристаллов;

Научная новизна.

•Впервые экспериментально получены низкочастотные асимптотики анизотропных акустических параметров для полимезоморфных превращений нематик - смектик А, смектик А - смектик С :

• Исследовано влияние критических процессов на параметры, определяющие угловые зависимости скорости ультразвука в окрестности фазового перехода нематик - смектик А. Проведено детальное экспериментальное исследование распространения ультразвука при фазовом переходе смектик А - смектик С в ориентированных образцах жидких кристаллов и подтверждены выводы динамической теории данного перехода;

• Впервые изучены особенности критической динамики в бинарной жидкокристаллической системе, имеющей мультикритическуто NAC точку;

• Впервые акустическим методом исследовано поведение объемных образцов смектика С во вращающемся магнитном поле; экспериментально обнаружен гистерезис акустических параметров, возникающш1 при

переориентации смектической С фазы, а также установлено существенное влияние предыстории образца на угловые и индукционные зависимости коэффициента поглощения ультразвука.

•Предложена новая модель динамического отклика ориентационной структуры смектика С на воздействие магнитного поля, учитывающая неидеалыюсть слоевой структуры и ненасыщающий характер магнитного поля;

• Впервые выполнены исследования динамики ориентационной структуры нематиков в условиях комбинированного воздействия акустического, электрического и магнитного полей и установлена возможность эффективного управления характеристиками оптического отклика жидкокристаллического слоя на мехшшческие возмущения с помощью электрического и магнитного полей;

Практическая ценность.

Разработана акустическая многоканальная камера, позволяющая проводить одновременные измерения анизотропных акустических параметров на различных частотах ультразвука, что существенно повышает достоверность информации в области полимезоморфных превращений.

Экспериментально доказана высокая информативность акустического метода при исследованиях изменений макроструктуры смектической С фазы. Полученная информация о поведении анизотропных акустических параметров в области полимезоморфных и структурных превращений позволила провести экспериментальную проверку выводов динамической теории критических явлений и может служить основой для дальнейшего развития представлений о динамическом поведении жидких кристаллов. Разработанная методика исследования динамики ориентационной структуры в условиях комбинированного воздействия акустического, электрического и магшггного полей, позволяет получить информацию о вариации характеристик акусто-, электро- и магнитооптических эффектов, вызванных изменением гидростатического давления, что необходимо для прогнозирования функционирования жидкокристаллических устройств в экстремальных условиях. Результаты экспериментов, проведенных на акустооптической установке позволяют предложить новые технические решения, расширяющие область практического использования жидких кристаллов. Практическая ценность исследований по теме диссертации подтверждается наличием изобретений, защищенных 13 авторскими свидетельствами и патентами РФ.

Автор защищает.

Методические разработки и результаты акустических исследований критической динамики фазовых переходов в жидких кристаллах. Результаты исследований структурных изменений смектической С фазы, вызванных

магнитным полем с изменяющимся направлением и индукцией. Предложенную модель динамического отклика смектика С на воздействие магнитного поля. Результаты исследования акустооптического эффекта в условиях воздействия электрического и магнитного полей. Выводы теоретического анализа экспериментальных результатов.

Апробация работы.

Результаты исследований по теме диссертации изложены более чем в 80 статьях, описаниях изобретений и тезисах, опубликованных в отечественной и зарубежной печати. Содержание диссертационных исследовашга было представлено на : 4...8-ой конференциях социалистических стран по жидким кристаллам (Тбилиси 1981г., Одесса 1983г., Галле 1985г., ЧССР 1987г., Краков 1989г.), международных конференциях и симпозиумах по жидким кристаллам (Польша 1986 г., Болгария 1987г., США 1986г., ФРГ 1988 г., Австрия 1989г., Литва 1991г., Италия 1991г., Венгрия 1994г., Иваново 1995г., США 1996г.), Всесоюзных конференциях (Чернигов 1988г., Москва 1991г.). Отдельные результаты работы докладывались на научных семинарах в Институте кристаллографии АН СССР (1989г.), в Ивановском государственном университете (1991г.), в Институте физики высоких давлений АН СССР (1989г.), МНПО НИИОПиК (1989г.).

Основные результаты диссертации отражены в работах, представленных в списке литературы. Там же приведен перечень авторских свидетельств и патентов, в которых использовались отдельные результаты работы.

Объем работы.

Диссертация содержит 203 страницы машинописного текста, 23 таблицы, 183 рисунка, библиографический список литературы из 148 наименований: состоит из введения, семи глав, заключения и приложения.

Краткое содержание диссертации.

В первой главе приводится краткое изложение экспериментальных методик, использованных для исследования поведения акустических параметров в области полимезоморфных превращений. С учетом критического замедления релаксационных процессов при фазовых переходах 2-го рода (или близких к ним) обосновывается необходимость использования резонаторного метода измерения скорости и коэффициента поглощения ультразвука, позволяющего получить достоверную информацию на частотах ультразвука, меньших 1 МГц. Приведено описание оригинальной многоканальной акустической камеры, реализующей, импульсно-фазовые методы переменного расстояния и переменной частоты и обеспечивающей, наряду с применением акустического резонатора, установление частотных зависимостей анизотропных

акустических параметров жидких кристаллов в диапазоне частот 0.2...30 МГц. За счет одновременного проведения акустических измерешш на различных частотах существенно повышается достоверность таких зависимостей в области фазовых превращений, как правило, характеризуемых сильным возрастанием температурных коэффициентов акустических параметров.

Оцененные максимальные погрешности измерения составляют :

для скорости ультразвука С -» 0.3 %

для поглощения ультразвука -> 7%

для анизотропии скорости -> 10%

для анизотропии поглощения -> 10%

Возможности использованных экспериментальных методик иллюстрируются описанными в данной главе результатами исследования критической динамики фазового перехода нематический жидкий кристалл -изотропная жидкость (N-1).

Измерения абсолютных значений коэффициента поглощения и скорости ультразвука в окрестности температуры просветления (Тс) показали, что в исследованных объектах, за исключением НФОБ, в области ультразвуковых частот 0.2... 1 МГц как со стороны изотропной, так и нематической фаз реализуется условие низкочастотного предела сйт,«1 (<а=2я£' ,т! -характеристические времена динамических процессов, присущих нематико-изотропному пределу). При этом экспериментально подтверждена справедливость простых степенных законов для температурных зависимостей критических вкладов 6оЛг в коэффициент поглощения ультразвука при предельно низких ультразвуковых частотах:

6а/Г2 ~|АТС|~7 (I)

В изотрогаюй фазе среднее значение критического показателя составляет 1.1, что находится в соответствии с выводами дш!амического скейлинга (рис.1). При этом в пределах экспериментальной погрешности не наблюдаются отклонения от зависимости типа (1) даже в непосредственной окрестности N-1 перехода (ДТс~0.1...0,2 К), что свидетельствует о близости температуры расходимости (Т*) к фиксируемой в эксперименте температуре просветления и находится в качественном соответствии с результатами анализа прецизионных измерений теплоемкости в окрестности Тс .

В тематической фазе зависимость (1) выполняется для соединений с достаточно протяженной нематической фазой (БББА, 608), где критический вклад в низкочастотное поглощение ультразвука в окрестности Тс существенно превышает регулярные (относительно нематико-изотропного перехода) вклады. Полученные при этом значения критического показателя (у«1) свидетельствуют либо о близости температуршлх зависимостей критических вкладов связанных с релаксацией нематического параметра порядка (Б) и релаксаций флуктуации Б, либо о превалировании релаксационного механизма.

Что касается НФОБ, то в данном соединении вблизи Тс наблюдалась заметная частотная зависимость величины а/? даже при предельно низких

частотах ультразвука, что демонстрирует существенное смещение динамических процессов в низкочастотную область. Так как отмеченное смещение в этом соединении сохраняется и при фазовом переходе нематик -смектик А, то по-видимому оно связано с особенностями строения НФОБ, полярные молекулы которого образуют димеры. Следствием нарушения условия низкочастотного предела является отклонение в окрестности Тс температурной зависимости низкочастотного коэффициента поглощения ультразвука в НФОБ от степенного закона (1).

Дополнительная информация о специфике критических явлений в области N-1 перехода получена при анализе параметров ас, Ьс, а^, Ьа , описывающих зависимости скорости и коэффициента поглощения ультразвука в нематической фазе от утла 9 между волновым вектором (ч ) и директором (п):

Дс(0) с(9)-с(л/2)

—1, \ =ас соб 9 + Ьс«« 6 (2)

с с(гс/ 2)

Да(0) а(9)-а(л/2)

—а к ' /-- = а соэ Э + Ь соэ 9 (3)

При этом для всех исследованных соединений (за исключением НФОБ) была экспериментально установлена близость к нулю анизотропии скорости ультразвука в области нематико-изотропного перехода при достаточном удалетщ от переходов в смектические фазы и частотах ультразвука, меньших 1 МГц (значения Дс/с, ас и Ьс не превышали погрешности эксперимента ~10"5). Это является прямым подтверждением вывода об изотропности скорости ультразвука для нематиков в гидродинам1гческом пределе и чисто релаксационной природе данного параметра (Ас/с ~ ^ при от ¡« 1). В области частот Г >3 МГц были исследованы угловые зависимости скорости ультразвука и получено принципиально различное поведение параметров ас и Ьс в окрестности нематико-изотропного перехода. Если параметр ас испытывает характерное предпереходное возрастание при приближении к Тс, то коэффициент Ьс монотонно уменьшается при повышении температуры и не обнаруживает каких либо аномалий в окрестности Тс. Вне области переходов в смектические фазы при достаточно низких частотах ультразвука выполняется неравенство ас»Ьс. Отмеченные особенности в поведении параметра Ьс позволяют экспериментально подтвердить вывод о существенной асимметрии влияния крш-ических релаксационных процессов в области нематико-изотропного перехода на различные компоненты комплексного модуля упругости нематической фазы. При этом возрастающие по мере приближения к области перехода в смектические фазы значения Ьс могут быть однозначно связаны с воздействием критических процессов характерных для нематико-смектического перехода. Этот вывод, справедливый для всех без исключения исследованных объектов, открывает возможность изучения динамики фазового перехода нематик - смектик А даже, в соединениях с узким температурным

интервалом существования нематической фазы (в данной работе в НФОБ и 6010).

Параметры а, и Ь„ , задающие угловую зависимость коэффициента поглощения ультразвука, также проявляют различное поведение в окрестности Тс, аналогичное поведению ас и Ье- Отличие заключается в существовании низкочастотных предельных значении, обусловленных регулярными, относительно Тс. вкладами вязкостной и релаксационной природы. Результаты , представленные в Главе 1 свидетельствуют о частотной независимости параметра Ьа при удалении от переходов в смектаческие фазы в соединениях, обладающих достаточно протяженной нематической фазой (БББА, 608 - рис. 2). В этом случае значения Ьа определяются комбинациями дисснпативных параметров Лесли несжимаемого НЖК и могут быть использованы в вискозиметрических расчетах. Однако, указанная независимость Ьа от может нарушиться в соединениях с узкой нематической фазой (6010, НФОБ) за счет влияния фазового перехода нематик - смектик А, и, следовательно, в последнем случае расчет коэффициентов Лесли из Ьа требует дополнительного обоснования.

Во второй главе диссертации изложены результаты акустических исследований фазового перехода нематик - смектик А, который для соединений с достаточно широкой нематической фазой может быть отнесен к фазовым переходам второго рода. Измерения коэффициента поглощения и скорости ультразвука в окрестности Т^А показывают смещение релаксационного спектра, присущего данно\1у переходу, в область более низких частот, по сравнению с характерными частотами критических процессов в окрестности температуры просветления. Это проявляется в сильной частотной зависимости критических аномалий коэффициента поглощения ультразвука даже в области частот, меньших 1 МГц (рис. 3) . При частотах ультразвука МГц аноматъное возрастание коэффициента поглощения ультразвука, связанное с И-А переходом или незначительно (409) или не регистрируется в пределах экспериментальных погрешностей (БББА), что подчеркивает значимость измерений при предельно низких частотах ультразвука для детального исследования критической динамики рассматриваемого фазового перехода. В этом случае удается получить низкочастотные асимптотики критических вкладов (бо/^) в коэффициент поглощения ультразвука рис. 4а, подчиняющиеся степенному закону :

Определенные экспериментачьно значения критического показателя X для нематической фазы близки к 1, что соответствует выводам теории, учитывающей взаимодействие флуктуации смектического параметра порядка и плотности в приближении динамического скейлинга. Выводы теории в высокочастотном пределе подтверждаются установленными экспериментально частотными зависимостями критических вкладов, подчиняющихся в непосредственной близости к Т^а ( ДТ^О.1 К ) степенному закону :

(4)

5а/f2 ~ f"y (5)

с показателем у, близким к 1 (рис. 46), что соответствует теоретическому значению у=х=1+2а (а- критический показатель теплоемкости, значение которого с учетом перенормировки составляет 0.08).

Дополнительная информация о природе критических процессов в окрестности фазового перехода нематик - смектик А получена при анализе анизотропных акустических параметров. В этом смысле наибольший интерес представляет анизотропия скорости ультразвука, имеющая в нематической фазе исключительно релаксационную природу. При этом было установлено, что кр!ггические аномалии, связанные с N-A переходом проявляют как полная относительная анизотропия скорости ультразвука, так и параметры ас и Ьс . задающие ориентащюнную зависимость анизотропии скорости ультразвука (соотношение (2)).

Во всех исследованных соединениях (за исключением НФОБ) при приближении к Т«,А наблюдалось возрастание полной анизотропии Дс/с, причем на предельно низких частотах температурные зависимости Дс/с подчиняются степенному закону;

Дс/с « (ДТМА /Тнл )е (6)

с критическим показателем ß=-1.2...-1.3 . Данное значение соответствует выводам теории, дающей для показателя ß величины -4/3 и -3/2 в теории подобия и приближении среднего поля соответственно. В то же время параметры ас и Ьс обнаруживают существенно различное поведение в окрестности Тмд (рис. 5 и 6).

При этом коэффициент Ьс представляет особый щгтерес, поскольку он не испытывает влияния нематико-изотропного перехода, а его значение в нематической фазе близко нулю. Таким образом, возрастание данного параметра в окрестности Tna может быть полностью отнесено к влиянию фазового перехода нематик - смектик А.

Установлено, что в низкочастотном пределе значение показателя температурной расходимости данной величины близко к -1.5, что соответствует выводам теории в приближении среднего поля. Такое же значение получено и для показателя частотной зависимости отношения ЬсЯ2 в непосредственной окрестности к Тмд, где по-видимому реализуется высокочастотный предел. Указанные результаты свидетельствуют о доминирующем влиянии флуктуациониых эффектов на поведение параметра Ьс в окрестности TNa-В отличие от Ьс параметр ас при cos2Ö в зависимости (2) включает дополнительные вклады, не связанные с фазовым переходом нематик -смектикА (рис. 6). Непосредственное влияние данного перехода проявляется в уменьшении ас при приближении к 1na> т.е. в существовании отрицательного вклада бас- Рассчитанные из частотных зависимостей величины бас значения времени релаксации смектического параметра порядка для 409, представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Зависимость ^ от температуры.

ЛТ*а, к 0.14 0.40 0.64 1.15 1.68 2.20

т5, Ю"8 с 7.90 5.80 4.90 1.50 1.10 0.78

Определенный таким образом параметр расходится в окрестности Т^д с показателем, значение которого близко к теоретическому (I).

Анизотропные акустические параметры а„ и Ьа, описывающие угловую зависимость поглощения ультразвука ( выражение (3) ), также демонстрируют существенно различное поведение в окрестности Тмд. Для соединений с достаточно протяженной нематической фазой (БББА и 409) параметр Ьа критическим образом расходится вблизи Тма с показателем расходимости, изменяющимся от 0.5 (при ДТМА ^ 1 К) до 0.8 при больших значениях ДТ,ЧЛ. Таким образом, аномальное возрастание Ьа в непосредственной окрестности Т^а связано, по-видимому, с существованием расходящихся флукгуационных вкладов в коэффициенты сдвиговой вязкости (показатель расходимости - 0.5). Вблизи Т,ч\, где следует ожидать реализации высокочастотного предела параметр Ьа изменяется с частотой в соответствии с законом Ьа ~ Г0'5, что также подтверждает флуктуационную природу критического вклада, связанного с фазовым переходом нематик - смектик А.

В отличие от Ьа , параметр а^ при соз2б в выражении (3) испытывает существенно более сложное температурно-частотное поведеш1е в окрестности Тиа-

Так же как и для параметра ас, во всех исследованных соединениях наблюдается существование отрицательных вкладов в а^, обусловленных Ы-А переходом. Однако, в последнем случае (в отличие от ас) не исключено существование положительных флуктуационных вкладов в соответствующие коэффициенты вязкости (у5 и у4 в обозначешшх Форстера), входящие в выражение для коэффициента а^. Указанные обстоятельства, а также существование частотно-зависящих и регулярных относительно Тмл вкладов приводят к весьма своеобразной частотной зависимости данного параметра (рис. 7).

В третьей главе диссерташш приводятся результаты исследовании анизотропного распространения ультразвука в окрестности фазового перехода второго рода смектик А - смектик С в двух соединениях - 6010 и 409.

Выполненные измерения коэффициента и скорости ультразвука при различных углах (0) волнового вектора относительно слоевой нормали \Г(рис.8) наглядно демонстрируют анизотропный характер критических аномалий акустических параметров, присущий данному переходу и отличающий его от полимезоморфных превращении нематик - изотропная жидкость и нематик -смектик А. В частности, при распространении ультразвука в плоскости смектических слоев аномалии, связанные с А-С переходом, даже в области

частот ниже 1 МГц или не фиксируются в пределах экспериментальных погрешностей (по скорости ультразвука) или составляют малую величину (по поглощению ультразвука) относительно соответствующих аномалий, зарегистрированных при распространении ультразвука вдоль слоевых нормалей.

Было установлено, что, аналогично случаю N-A перехода, отмеченные аномалии С и а существенно зависят от частоты ультразвука, уменьшаясь с ростом последней, при этом спектральные характеристики двух переходов по-видимому достаточно близки (в обоих случаях аномалии коэффициента поглощения практически исчезают при частотах выше 10 МГц). Выполненный анализ угловых зависимостей скорости распространения ультразвука в окрестности ТЛС позволил рассчитать значения модулей упругости, связанных

со сжатием при постоянном межслоевом расстоянии '(g№). а также со

сжимаемостью смектических слоев (g~ww и g~wp), описывающих зависимость скорости ультразвука от направления его распространения (9) в смектической фазе:

рс2 (е) = g~p - 2g;p cos2 е+g;vw cos4 e (i)

Было показано, что во всей исследованной температурно-частотной области остается малым отношение модулей :

g;,v/g;P~g;P/g;P - ю-2 , (8)

что отражает малость модуляции плотности в смектике, вследствие близости последнего к нематнку и согласуется с данными экспериментов на сдвиговых волнах.

При этом было установлено, чгго отношение :

g^vp / gC™ = In i / д In p)(j (9)

определяющее поведение межслоевого расстояния ( I ), как функции плотности ( р ) в условиях адиабатического сжатия ( o=const ) не зависит (в пределах погрешности) от температуры и его среднее значение составляет 0.2 и 0.16 для 6010 и 409 соответственно.

Аппроксимация угловых зависимостей коэффициента поглощения ультразвука в окрестности Тдс выражением : q(8) = 2 тс2

с7 ~ 3

f pcJ

( r)¡ - коэффициенты вязкости), позволили рассчитать критические поправки 5t|¡ С П, = г)i + 5г|,) к коэффициентам вязкости, связа1шые с А-С переходом. Было установлено, что поправки к вязкостям г)5 и г|2 положительны, в то время как флуктуационные поправки 5ti4 отрицательны в обоих соединениях. При этом критическая поправка 5rjs возрастает при приближении к Тдс и в низкочастотном пределе описывается теоретическим степенным законом с показателем 1.1 . В высокочастотном пределе для частотной зависимости

Ii sin 8 + т|, cos 8 + 2 rj3 +т}4 i sin 6-cos 9

(10)

характерно то же самое значение показателя [ это свойство отмечалось выше и для фазового перехода нематик - смектик А ].

Оценка универсальных отношений критических поправок :

показала её корреляцию с соответствующей оценкой отношешш I g,"p,

полученной из анализа данных по скорости ультразвука. Температурная независимость данного параметра подтверждает вывод теории, согласно которому отношение g~w/g'vp не ренормнруется критическими флуктуациямн.

Наконец, совместный анализ аномалий скорости и коэффициента поглощения ультразвука в окрестности Тс позволил рассчитать действительную (F1) и мнимую части динамического коррелятора (F") параметра порядка, описывающего вязкоупругие параметры в области, для которой не выполняются степенные законы. Полученные функции (рис. 9) существешю отличаются от вычисленных Имуро и Окано в приближении Орнштейна-Цернике и широко применявшихся при анализе нематико-нзотропного перехода.

В четвертой главе диссертации представлены результаты первых акустических исследований полимезоморфных превращений в бинарной жидкокристаллической системе 608:6010, имеющей мультикритическую NAC точку. Особенностью указанной системы является практическая независимость температуры просветления Тс от концентрации компонент смеси, что свидетельствует о близости межмолекулярных потенциалов взаимодействия, ответственных за образование нематической фазы. В то же время, при уменьшении концентрации (X) 6010 в смеси наблюдается уменьшение температурного интервала существования смектической А-фазы и в области мультикритической NAC точки, (Х-0.33 м.д.) происходит измените типа полимезоморфизма ( от I-N-A-C к I-N-C ) с соответствующей трансформацией рода фазового перехода в смеюгическую фазу ( от 2-го к 1-ому ). Проведенные исследовашш чистых компонент и бинарных смесей при концентрациях Х=0.1 (смесь №1), 0.23 (№2), 0.295 (№3), и 0.326 (№4) м.д. показывают универсальность критической дш1амики нематико-изотропного перехода в бинарной системе. В частности, низкочастотные (1=0.36 МГц) значения коэффициента поглощения ультразвука в изотропной фазе при фиксированной температуре не зависит в пределах погрешности эксперимента от концентрации и подчиняются степенной зависимости типа (1) с критическим показателем 7=1.1 . Аналогичная универсальность наблюдается и для критического вклада в коэффициент поглощения в немапгческой фазе в окрестности Тс- При этом критический показатель (у=1) соответствует результатам, получешшм в других соединениях (рис. 1). Поведение акустических параметров нематической фазы в окрестности температуры перехода (Ts) в смектическую А (или С) фазу существенно изменяется при вариации процентного содержания компонент смеси. Так, тип аномалии коэффициента поглощения ультразвука монотонно трансформируется от расходимости (6010) к конечному скачку (608 и смесь №1

(11)

с малым содержанием 6010). При этом критический вклад в поглощение ультразвука в нематнческон фазе в низкочастотном пределе может быть представлен универсальной степенной функцией вида (4) с критическим показателем близким к 1 при введении параметра ATS*=T*-TS , отражающего отличие температуры расходимости Т* от температуры перехода Ts. Величина ДТ' зависит от концентрации (X) 6010 линейным образом и обращается в ноль в области концентраций, близких к мультикритической NAC точке, что отражает изменение рода фазового перехода (от 1-го ко 2-ому). Существенные особенности в области NAC точки имеют место и для температурно-концентрационных зависимостей акустических параметров смектической С фазы. В частности, анизотропия скорости ультразвука в смектической С фазе испытывает резкие изменения в окрестности концентраций, близких к NAC точке (рис. 10), что свидетельствует о ее чувствительности к типу образовавшейся при охлаждении структуры смектика С. Коэффициент поглощения ультразвука в смектической С фазе исследованной системы обнаруживает своеобразное поведение. Вдали от температуры (Т5с) перехода в смектнческую А (или нематическую) фазы данный параметр пракпгчески не зависит от концентраций компонент бинарной смеси, при этом наблюдается его слабое возрастание при уменьшении температуры (рис. 11). В то же время в окрестности Т$с поведение a/t1 качественно подобно отмеченным выше вариациям данного параметра в нематическон фазе волгой перехода в смектические фазы и приближенно может быть описано степенным законом вода (4), при введении параметра смещения ДТ", превышающего ДТ* примерно в 2 раза. Следует отметить, что, в отличие от a/f2, аномалии анизотропии коэффициента поглощения ультразвука в нематическон фазе в окрестности Ts не подчшшотся универсальным степенным законам, что демонстрирует ярко выраженную анизотропию критических явлений и зависимость степени этой анизотропии от близости к мультикритической NAC точке.

В пятой главе диссертации приводятся результаты акустических исследований изменений структуры смектической С фазы, вызванных воздействием магнитных полей различных ориентации и индукций. Основной объем информации получен при изучении реакции образцов смектиков С на вращающееся магнитное поле.

При этом были реализованы различные геометрии эксперимента, отличающиеся взаимной ориентацией волнового вектора "q", вектора индукции

магнитного поля В„, в котором происходило формирование образца смектика С при охлаждении предварительно ориентированной нематической фазы, и вектором угловой скорости вращения ю"в магнитного поля В, приводящего к переориентации смектической С фазы.

При реализации простейшей геометрии эксперимента (геометрии №1), показанной на рис. 12, для которой : |q"-B0j = 0, (q"-oTB) = 0 в образцах смектика С, полученных при охлаждении А фазы (6010) вероятно появление

квазимонодометюй структуры со слоевой нормалью v параллельной В0. При

этом вращение магштюго поля В происходит в плоскости смектических слоев, а движение директора - по конической поверхности, задаваемой углом у наклона оптической оси относительно слоевой нормали. Считая, что слоевая структура не деформируется относительно слабым вращающимся полем (В^О.З Тл) и для коэффициента поглощения ультразвука выполняется квазинематическая зависимость (3) от угла 0 между гГ и 7р, было получено выражение:

^r((Pe) = aacos2q>B+b;cos4<pB (12)

для зависимости изменений коэффициента поглощения ультразвука в квазистатическом режиме вращении поля от угла <ра между В и q. Аппроксимация экспериментальных результатов (рис. 13) соотношением (12) и анализ температурных зависимостей параметров а^* и Ьа' подтвердил некоторые следствия, вытекающие из модели идеального слоевого монодомена смектика С. В частности, было установлено, что в окрестности фазового перехода смектик А - смектик С параметры а,/ и Ьа* подчиняются теоретическим степенным зависимостям:

а; -V ~|дтдс|2(\ь; -V ~|дтАСГ из)

с критическим показателем параметра порядка ß=0.25 . В то же время, были обнаружены и существенные отклонения от следствий простейшей модели. В частности, в отличие от нематической фазы, наблюдалась зависимость коэффициентов а«* и Ьа* от угловой скорости вращения магштюго поля (отсутствие синхронного режима) вплоть до предельно низких значений (шв=0.005 рад/с) использованных в эксперименте.

Эксперименты, выполненные в других геометриях ( №2 -(q"-üT"B) = О,

) = 0,"q||B0; №3 - (q"-ö^) = 0, [В0,"q) = к/4, (во,шв) = л/4 ) показали

существенно более сложный и многообразный (по сравнением со случаем нематической фазы) отклик смектика С на вращающееся магнитное поле. В частности, в геометрии №2 для угловых зависимостей коэффициента поглощения ультразвука Да/1г(<рв) было установлено существование отдельных диапазонов угла срв в которых поведение величины Aa/f2 существенно различно. При изменении угла фв в диапазоне 20°<срв<9О° наблюдались незначительные изменения коэффициента поглощения ультразвука практически не зависящие от температуры образца, скорости вращения магнитного поля и индукции поля В (рис. 14). В то же время в диапазоне углов вращения 90°<; (рв< 200° имели место резкие и более существенные изменения величины сx/f2, зависящие от указанных выше параметров (Т, сов, В).

Специфическое поведение смектика С во вращающемся мапштном поле было подтверждено и при исследованиях впервые обнаруженного

экспериментально гистерезиса акустических параметров в смектической С фазе. Эксперименты^ выполнялись в геометрии №4 (срс!Г^)=0,

(во*о>0) = 0,(в„ ,"qj = л/4, которая наиболее удобна для исследования данного

эффекта, заключающегося в несовпадении зависимостей Да/^фв) и Дс/с(фв), полученных при прямом и обратном медленном вращении магнитного поля (рис. 15). Анализ полученных результатов в рамках модели идеального монодомена позволил связать гистерезис акустических параметров со специфическим для смектической С фазы свойством бнстабильности ориентационнон структуры. При этом из значении гистерезиса Дф была рассчитана температурная зависимость угла наклона молекул относительно слоевых нормалей (i|/ « Дф/2). которая соответствует закону у ~ (ДТ)0'25 и данным независимых измерений. Отличие эксперимента от теории проявляется в существовании конечного наклона для зависимости а/^((рв) на участках, соответствующих смене стабильных состояний.

Указанные выше отклонения экспериментальных результатов от следствий, вытекающих га простой монодоменной модели смектической С фазы свидетельствуют о влиянии характера упорядочения слоевой структуры на индуцированные полями ориентационные изменения смектика С. В свою очередь тип и параметры слоевой структуры могут варьироваться в зависимости от индукции поля охлаждения Во, а также от типа полимезоморфизма, реализованного при получении образца смектика С (в случае образования смектической С фазы непосредственно га нематической (608) должна формироваться полшфисталлическая структура). Проведенные исследования поведения смектической С фазы в ненасыщающих магнитных полях, а также в соединениях, обладающих различным типом полимезоморфизма (6010 и 608) однозначно свидетельствуют о существенном влиянии типа слоевой структуры на характер изменений ориентации смектика С, индуцированных магнитными полями. В частности, проведенные исследования индукционных зависимостей коэффициента поглощения ультразвука в смектической С фазе 608 показали, что изменения данного параметра, вызванные магнитным полем определяются не только величиной и направлением ориентирующего поля В, но и индукцией поля Во, в котором происходило формирование образца. При этом, в общем случае, насыщение наблюдается при значениях индукщш В порядка 0.8 Тл, что значительно превышает индукцию поля насыщения (около 0.2 Тл) для нематической фазы. Сравнение результатов, полученных во вращающемся магнитном поле для 6010 и 608 показывает заметную трансформацию вида угловых зависимостей при изменении типа полимезоморфизма, проявляющуюся, в первую очередь, в сглаживании кривой а/^(ф„) в 608 (в смеси 608:6010 зависимость имеет промежуточный характер). Отмеченная трансформация связана по-видимому с изменением степени поликристатличноегн структуры смектика С, при вариации состава бинарной системы и удалении от NAC точки.

В шестой глапе изложены результаты модельных представлений о введении ориентаинонной структуры смектической С фазы в изменяющихся } напряженности и направлению магнитных полях, разработанные на основе сспериментальных данных, представленных в главе 5. В предложенной модели 1тены ненасыщающий характер магнитного поля и отклонения реальной юевой структуры смектика С от монокристалличности. Простейшая шновесная функш(я распределения У/(п) директора п~ по возможным шептаниям, соответствующая минимуму энергии взаимодействия поля и гректора может быть записана в виде:

\Ч^)=С£\Р[Е(П1?] (14)

где е =^Дх-Ы-Нг|/(2кТ) - параметр, определяющий интенсивность

аимоденствия поля и директора, Ь - единичный вектор, задающий травление поля Н, Д7 - молекулярная анизотропия диамагнитной юприимчивости, N - число частиц, совершающих коррелированное (иентационной движение.

Аналго функции распределения (14) позволяет получить условия :ализашш устойчивых состояний моностабильности и бистабильности. В шасти бистабильности изменение величины или направления магнитного поля случае умерешшх полей приводит к перераспределению доменов между жально устойчивыми состояниями с характерным временем х, определяемым ¿сотой энергетического барьера ДЕь, разделяющего устойчивые состояния : т~ехр.[(ДЕ„)/(кТ)] (15)

При заданном значении е высота энергетического барьера максимальна в :нтре области бистабильности, где наблюдается максимальное замедление лаксациокных процессов. Таким образом следует ожидать, что изменения иентационной структуры в области бистабильности определяются степенью клонения системы от равновесности (при вращении поля отношением рактерного времени поворота поля в области бистабильности т® и временем лаксации т). При т5»т перераспределение доменов между энергетическими шимумами происходит квазиравновесным образом. При выполнении ратного неравенства т5«т перераспределение доменов между локальными шимумами энергии прекращается, что приводит к подавлению [стабильности. Данная модель позволяет качественно объяснить блюдавшееся экспериментально существенное влияние скорости вращения 1ГШГТНОГО поля, индукции поля и температуры на угловые зависимости эффициента поглощения ультразвука в области бистабильности. Для которых частных случаев рассмотренная модель позволяет получить алитические выражения, поддающиеся экспериментальной проверке.

В частности, в случае аксиальной симметрии задачи (<|[|Н0||Н| этношения, описывающие изменения 2-ой степени косинуса угла б,

вызванные приложением магнитного поля Н, в пределе сильных (е»1) и слабых (е«1) полей в отсутствии бистабнльности принимают вид:

зД1!,«, = -е(зт4 ^БШ4 б + БШ2 -51'П2 25) (16)

2Д"|6»1 = (cos26^ -(cos2 = — (sin 2v(/ sin 25 + sin2sin2 (17)

e»l e=0

Анализ выражений (16) и (17) позволяет сделать вывод о влияшш типа слоевой структуры (угла 5) и параметра порядка смектика С (угла у) на индукционные зависимости коэффициента поглощения ультразвука, определяемые, в первом приближении (формула (3)), отношением 2Д"|е«1/2Д"|е»|-

В этом же приближении может быть получено выражение для отношения изменений коэффициента поглощения ультразвука, Да1 и Да" , распространяющегося соответственно нормально и параллельно полю Н, вызывающего данные изменения:

(да1 / Да') « -9/8и/2 (18)

Соотношеш1е (18) свидетельствует о существенной асимметрии и противоположном знаке влияния поля Н на коэффициент поглощения ультразвука для параллельной и нормальной ориентации q и Н. При этом степень асимметрии возрастает с уменьшением параметра порядка смектика С (угла что может реализовывается либо при увеличении температуры (приближение к Тлс), либо при изменении концентрации в системах, имеющих NAC точку. Детальная экспериментальная проверка указанных следствий модели предполагает проведение дополнительных экспериментов.

Для магнитного поля Н, ориентированного нормально относительно оси симметрии (Н0), изменения (cos20) в пределе слабых полей определяются выражением :

гД1!*«! =- — е sin2 2vysin2 25 + sin4 Jsín2 5+--sm2 25¡ (19)

16 ч 2 J J

Сравнение соотношений (19) и (16) позволяет объяснить зарегистрированный экспериментально различный знак изменений коэффициента поглощения ультразвука для поля Н нормальной и параллельной относительно q ориентации наряду с асимметрией влияния данных полей.

Наконец, было рассмотрено поведение слабоискаженного смектика С во вращающемся магнитном поле (предел сильного поля) для простейшей геометрии №1, реализованный в эксперименте.

Аналга уравнений движения директора в этом случае показал, что отклонения реальной слоевой структуры от монодоменной приводят к нарушению синхронного режима двйжения директора даже в области низких частот вращения поля, что наблюдалось в эксперименте. Кроме того,

тклонения вида угловых зависимостей от квазинематических соотношений ипа (3) также могут найти объяснение в рамках рассмотренной модели.

В седьмой главе диссертации приведены результаты экспериментальных сследованнй динамики изменений ориентациониой структуры нематнка в словиях воздействия акустического, электрического и магнитного полей при ариацнн термодинамических Р, Т параметров состояния. Излагается методика сследованнй оптического отклика жидкокристаллического слоя возмущенного льтразвуковыми колебаниями при дополнительном ориентирующем действии габилюирующего магнитного (В) и дестабилизирующего электрического (Е) олей. Особенностью измерительной камеры является то, что оптическая ячейка огружена в жидкий кристалл, который формирует гомеотропно риентированный слой, толщиной h—110 мкм и одновременно играет роль ромежуточной среды, через которую к слою может подводится простатическое давление и акустические колебания. Экспериментально :следовалпсь временные изменения интенсивности AI(t) поляризованного зета, дважды (после отражения) пошедшего через слой жидкого кристалла. В аде эксперимента варьировались : высокочастотное (f=200 кГц) напряжение J а), подаваемое на пьезоизлучатель, электрическое напряжение на ячейке (Ue), зстотой 10 кГц, индукция магнитного поля В, гидростатическое давлешю Р и :мпература образца. Ячейка заполнялась тематическим жидким кристаллом /1ББА или 1:1 смесью МББА и ЭББА) с отрицательной анизотропией [электрической проницаемости, что позволило исследовать динамику грехода Фредерикса. В частности, использование ультразвука в качестве ;стабилизирующего исходную ориентацию фактора обеспечило проведение 1мерений в области напряжений Ue, меньших порогового значения U*.

При включении источника ультразвука возникали акустические >лебания, приводившие к дестабилизации ориентациониой структуры и ютветствующие изменению интенсивности света Д1. После достижения ационарного состояния источник ультразвука выключался и слой извращался в исходное состояние, что приводило к временным изменениям ггенсивности света I(t), регистрируемым с помощью самописца. В висимости от параметров эксперимента (Ua, Ue, В, Р, Т) изменения I(t) имели жотонный характер или сопровождались экстремумами. Обработка висимостей I(t) проводилась в соответствии с выражением :

итывающим релаксацию наиболее медленной гармонической составляющей ла отклонения директора 9 ( здесь 0.63 мкм - длина световой волны, Дп -гаотропия показателя преломления, т„ - характеристическое время иентациошгай релаксашт, 0о - начальный угол, учитывающий неидеальность меотропной ориентации жидкого кристалла).

Анализ результатов экспериментов, выполненных в отсутствии гктрического и магнитного полей показал, что гидростатическое давление

(20)

существенно влияет на стационарные характеристики акустооптического эффекта (при изменении давления от 0.1 до 50 мПа стационарные изменения интенсивности света могут возрастать в несколько раз). При этом наблюдается монотонное возрастание времени релаксации т„ с давлением, подчиняющееся линейной зависимости.

Эффективным фактором, изменяющим временные и стационарные характеристики акустооптического эффекта является дестабилизирующее электрическое поле. С увеличением электрического напряжения 11е, подаваемого на ячейку, наблюдается замедление процесса орнентационной релаксации (таблица 2), которое в области перехода Фредерикса имеет критический характер и описывается соотношением :

,(0)

(21)

1-(ие/и*)-

Таблица 2.

Зависимость времени орнентационной релаксащш от электрического напряжения (Це) в МВБ А для р=5-107 Па, Т=308 К.

Не, В 0 2.50 3.00 3.50 3.90 4.10 4.15 4.20 4.22

т«, с 1.2 5.5 7.4 10.6 26.6 54.2 79.5 130 174

где т I (0)=(у 1 "Ь2)/( к3 37т2) - время релаксации первой гармонической составляющей в фурье - разложении угла 0, у(* - эффективный коэффициент вращательной вязкости, учитывающий влияние обратного потока, кзз - модуль упругости Франка Определенное из аппроксимации экспериментальных данных таблицы 2 значение (0)=4.83 с приблизительно в 4 раза превышает значение т„ , полученное в отсутствии поля. Это означает, что в последнем случае наинизшей гармонической составляющей, определяющей асимптотическую зависимость интенсивности света от времени, является 2-ая гармоника, возникающая при асимметричном относительно центра слоя профиле скоростей акустических течений. Значения напряжения перехода Фредерикса и*, полученные из аппроксимации экспериментальных данных соотношением (21) соответствуют значениям непосредственно измеренным на данной установке при исследованиях электрооптического В-эффекта в условиях вариации гидростатического давления (таблица 3 ).

Таблица 3.

Зависимость напряжения перехода Фредерикса и материальных параметров МББА от давления (Т=308 К). ___

Р, 105 Па 1 100 200 300 400 500

и*,В 3.56 3.84 3.99 4.12 4.25 4.33

кзз/Де, Ю"6 ед. СГСЕ 1.14 1.32 1.43 1.52 1.60 1.68

Г. "/кзз, 106 ед. СГСЕ 0.23 0.25 0.29 0.34 0.36 0.39

Установленные экспериментально значения (т(0) и и*) позволили первые определить зависимость от давления комбинаций к33/Де и У|*/к33 аблица 3). Полученные данные могут найти практическое применение при рогнозированни работы жидкокристаллических устройств в экстремальных :ловиях.

В отличие от электрического поля, стабилизирующее магнитное поле [>фективно подавляет отклик жидкокристаллического слоя на воздействие пьтразвуковых колебаний даже при относительно малых индукциях (0.01 - 0.02 л). При этом наблюдается уменьшение времени ориентационной релаксации ,. Наиболее сильное влияние магнитного поля на последний параметр имеет есто при дополнительном воздействии на слой жидкого кристалла гстабилгоирующего электрического поля в области напряженнй, близкой к ереходу Фредерикса (рис. 16).

В этом случае даже слабые магнитные поля (В<0.005 Тл) приводят к шетному снижению времени ориентационной релаксации, что соответствует ;оретической зависимости:

'редерикса в магнитном поле .

Установленная экспериментально возможность эффективного управления помощью полей параметрами оптического отклика жидкокристаллического юя на воздействие механических колебаний, открывает перспективы создания овых устройств на основе жидких кристаллов.

Заключение.

Проведенные экспериментальные исследования продемонстрировали лсокую информативность акустических методов при изучении динамики азовых переходов и структурных превращений в жидких кристаллах. С точки >ения исследования фазовых переходов решающую роль в получении новой «формации сыграло снижение нижней границы диапазона ультразвуковых элебаний (до 0.2 МГц) и детальное исследование угловых зависимостей сорости и коэффициента поглощения ультразвука. При этом появилась вможность проверить как общие выводы теоргас фазовых переходов, так и ¡тановить специфику, присущую полимезоморфным превращениям различного та. Дальнейший прогресс в данном направлении по-видимому возможен при звышении точности измерения акустических параметров.

Для реализации возможностей акустического метода как средства :следования макроструктуры жидкокристаллических образцов больших шейных размеров определяющим явилось использование различных

т

(22)

напряженность, соответствующая переходу

геометрий эксперимента, варьирование типа слоевой структуры смектической С фазы, предыстории формирования образца, а также направления и индукции магнитного поля. Проведенные исследования безусловно не исчерпывают возможные типы экспериментов такого рода. В частности, с учетом обнаруженного в данной работе ненасыщающего характера магнитного поля, воздействующего на ориентационнуто структуру смектика С, перспективным представляется проведение исследований смектической С фазы во вращающихся и пульсирующих магнитных полях различной индукции.

Наконец, есть основания считать, что полученные результаты по динамике тонких слоев нематика в условиях комбинированного воздействия ориентирующих факторов различной природы позволят расширить области практического применения жидких кристаллов. Частично это подтверждается принципиально новыми техническими решениями, в разработке которых непосредственное участие принимал и автор данной диссертации.

Автор выражает благодарность сотрудникам и аспирантам Проблемной научно-исследовательской лаборатории МГАПИ, а также Международному Научному Фонду и Российскому Фонду Фундаментальных Исследований за финансовую поддержку в проведении отдельных исследований, результаты которых представлены в диссертации (Гранты MIT ООО и MIT 300).

Основные результаты и выводы.

1. Получены температурно-частотные зависимости совокупности анизотропных акустических параметров при фазовых переходах нематик-шотропная жидкость, нематик.- смектик А и смектик А - смектик С.

2. Установлено, что низкочастотные асимптотики критических аномалий в коэффициент поглощения ультразвука в области исследованных полимезоморфных превращений подчиняются простым температурным зависимостям степенного типа с показателями расходимости, близкими к единице, что соответствует выводам динамической теории фазовых переходов.

3. Обнаружены существенные различия, в критическом поведении анизотропных акустических параметров, описывающих угловые зависимости скорости и коэффициента поглощения ультразвука в нематической фазе. В частности, определены параметры, нечувствительные к фазовому переходу нематик-изотропная жидкость, исследование которых дает дополнительную информацию о критической динамике фазового перехода нематик - смектик А.

4. Экспериментально подтвержден анизотропный характер динамических процессов в области фазового перехода смектик А - смектик С, при этом впервые получено соответствие критического поведения аномалий как упругих так и диссипативных параметров выводами флуктуационной теории данного перехода

5. Выполнены первые экспериментальные исследования критической динамики в жидкокристаллической "системе, образующей мультикритическую NAC точку. Установлено влияние температурных интервалов существования

езофаз и свойств симметрии смектических фаз на характер предпереходных номалий анизотропных акустических параметров.

6. Доказана эффективность использования акустического метода для сследования изменений макроструктуры смектической С фазы, вызванных агнитными полями. Установлены существенные различия в реакции мектической С фазы на воздействие магнитных полей, изменяемых по гличине и направлению; в частности, обнаружен и исследован эффект тстерезиса акустических параметров смектика С при вращении магнитного оля.

7. Впервые экспериментально установлено влияние типа олимезоморфизма и условий формирования жидкокристаллических образцов а квазистатнческие и динамические угловые зависимости коэффициента оглощения ультразвука в смектической С фазе при воздействии вращающегося агнитного поля.

8. Предложена модель динамического отклика С фазы на воздействие агнитного поля, учитывающая ненасыщающий характер поля и искажения ¡альной слоевой структуры образцов смектиков С. В рамках модели объяснены зрушения синхронности вращения поля и директора, искажения угловых шисимостей коэффициента поглощения ультразвука во вращающемся агнитном поле, а также асимметрия индукционных зависимостей данного зраметра.

9. Полупены первые результаты по динамическому поведению эиентационной структуры нематическнх жидких кристаллов в условиях хмбинировшшого воздействия акустического, электрического и магнитного элей при вариации гидростатического давления . Доказана эффективность травления с помощью электрического и магнитного полей оптическим гкликом жидкого кристалла на механические возмущения.

Публикации по теме диссертации.

1. Пасечник C.B., Баландин В.А. Анизотропный характер скорости (ьтразвука в окрестности фазового перехода нематик - смектик А // ЖЭТФ.-»82.-t.83, №1(7) - с. 195 -201.

2. Баландин В.А., Ларионов А.Н., Пасечник C.B. Акустическая гскозиметрия жидких кристаллов при изменяющихся давлении и температуре. ЖЭТФ.- 1982,- т.83, №6(12). - с.2121-2127.

3. Пасечник C.B., Ежов С.Г. Влияние электрического поля на устооптическин эффект в нематике. // Тезисы докладов 5-ой конференции циалистичсских стран по жидким кристаллам : СССР, Одесса 1983.-F28.

4. Пасечник C.B., Шмелев О.Я., Баландин В.А. Изменение акустических раметров смектической С фазы при переориентации образца в магнитном де. // Тезисы докладов 5-ой конференции социалистических стран по жидким исталлам : СССР, Одесса 1983. - С29.

5. Pasechnik S.V., Larionov A.N., Balandin V.A., Nozdrev V.F. Etude acoustique de cristaux liquides nematiques sous champ magnetique pour différentes temperatures et pressions. // J. Phys. (Fr.). -1984.-т.45.-р.441-449.

6. Киреев В.И., Пасечник C.B. Установка для исследования акустооптических эффектов в жидких кристаллах при изменяющихся давлениях. И Применение ультраакустики к исследованию вещества: Сб. статей. -М:ВЗМИ. -1984. -вып.36 -с.58-62.

7. Ежов С.Г., Пасечник C.B., Баландин В.А. Влияние электрического поля на временные характеристики акустооптического эффекта в нематических жидких кристаллах. Н Письма в ЖТФ. - 1984.-т. 10, №7-8,- с.479-482.

8. Шмелев О.Я., Пасечник C.B., Баландин В.А., Цветков В.А. Температурные зависимости коэффициентов Лесли бутоксибензилиденбутил-анилина. //Журнал физ. химии . -1985.-t.LIX, №8. -с.2036-2039.

9. Пасечник C.B., Баландин В.А., Ежов С.Г. Динамика акустооптического эффекта в области перехода Фредерикса. // 6-ая Жидкокристаллическая конференция Социалистических стран: ГДР, Галле, 1985. -F29.

10. Balandin V.A., Pasechnik S.V., Shmelyoff O.Ya. Acoustic investigations of relaxation processes in regions of polymorphic transformations of nematics. // J. Phys. (Fr.). -1985.-t.46.-p.583-588.

11. Пасечник C.B., Киреев В.И. Влияние температуры на кинетику акустооптического эффекта в электрическом поле. // Применение ультраакустики к исследованию вещества : Сб. статей. - М.:ВЗМИ, 1986. -с.23-27.

12. Pasechnik S.V., Balandin V.A., Kireev V.Y. Electric and magnetic field effects on the kinetics of aconsto-optical effect in a nematic. // The Second International liquid crystal conference, Kent, (USA), Abstracts. -1986. -T104-MA.

13. Пасечник C.B., Прокопьев В.И., Шмелев О.Я. Проверка следствий гидродинамической теории нематиков. // Сопутствующая конференция по росту кристаллов и жидким кристаллам (Польша). Тезисы докладов. -1986. -LCP10.

14. Баландин В.А., Пасечник C.B., Прокопьев В.И., Шмелев О.Я. Низкочастотные акустические параметры нематика в окрестности фазового перехода нематик - смектик А. //Акуст. Журнал. - 1987. -т.23, вып.4 -с.583-587.

15. Пасечник C.B., Прокопьев В.И., Шмелев О.Я., Баландин В.А. О связи диссипативных коэффициентов с анизотропными акустическими параметрами нематического жидкого кристалла. // Журнал физ. химии. -1987. -t.LXI, №16. -с.1675-1677.

16. Пасечник C.B., Баландин В.А., Киреев В.И. Влияние давления на акустооптический эффект в нематике. // Письма в ЖТФ. -1988. -т. 14, вып. 19 -c.1756- 1760.

17. Пасечник C.B., Баландин В.А., Прокопьев В.И., Шмелев О.Я. Флуктуации и низкочастотные акустические параметры в близи фазового перехода нематик:- - смектик А //"Тезисы докладов V Европейской зимней конференции по жидким кристаллам (Болгария). -1987. -В-4.

18. Пасечник C.B., Кнреев В.И., Ежов С.Г. Акустооптический эффект в 1ектричсском и магнитном полях. // Тезисы докладов 7-ой конференции зциалистических стран по жидким кристаллам (ЧССР). -1987. -с.71.

19. Пасечник C.B., Прокопьев В.И. Низкочастотное поглощение пьтразвука и критическая динамика в близи Тс. // Тезисы докладов 7-ой энференции социалистических стран по жидким кристаллам (ЧССР). -1987. --70.

20. Pasechnik S.V., Kashitsin A.S., Shmeiyoff O.Ya. Low-frequency trasound investigations of polymorphism in the liquid crystal. // XII-th International ¡quid Crystal conference, Freiburg. -1988. -p.25.

21. Пасечник C.B., Кирссв В.И. Акустооптический эффект в нематикс при «действии электрического и магнитного поля. // Применение ультраакустики исследованию вещества : Сб. статей - М. ВЗМИ, 1987. -с. 13-19.

22. Пасечник C.B., Баландин В.А., Ежов С.Г. Акустооптика нематика в юктрическом поле. // Применение ультраакустики к исследованию вещества : б. статей - М. ВЗМИ, 1987. -с.3-12.

23. В alandin V.A., Pasechnik S.V., Prokopjev V.l., Shmeiyoff O.Ya. ltrasound absorption anisotropy in the vicinity of smectic A - nematic transition. // quid Crystals. -1988. -v.3. -p. 1319-1325.

24. Кашицын C.B., Пасечник C.B. Анизотропия поглощения ультразвука и таксационные процессы в МББА. // Вопросы физики формообразования и новых превращений : Сб. статей. - Калинин: КГЦ. - 1988. -с. 103 - 108.

25. Пасечник C.B., Баландин В.А. Ультразвук и критическая динамика :матико-изотропного перехода. // Тезисы докладов VI-ой Всезоюзной тференцни « Жидкие кристаллы и их практическое использование » : -фнигов :1988. -ст.И-11.

26. Пасечник C.B., Прокопьев В.И. Динамика N-SA фазового перехода по иным низкочастотных акустических измерений. // Тезисы докладов VI-ой ;есоюзной конференции « Жидкие кристаллы и их практическое пользование » : -Чернигов : 1988. -ст.11-13.

27. Пасечник C.B., Кашицын A.C. Акустические параметры и структура фазы. // Тезисы докладов VI-ой Всесоюзной конференции « Жидкие

исталлы и их практическое использование » : -Чернигов : 1988. -ct.IV-46.

28. Pasechnik S.V., Balandin V.A., Kashitsin A.S. Acoustic study of mentation in a smectic С phase in a rotating magnetic field. // Liquid crystals. -89. -V.6. -p.727-730.

29. Киреев В.И.. Пасечник C.B., Баландин В.А. Влияние давления на ектрооптический эффект в нематике. // Письма в ЖТФ. -1988. -т. 14, вып. 19 -756- 1760.

30. Баландин В.А., Гурович Е.В., Кашицын A.C., Пасечник C.B., Шмелев Я. Критическое поглощение первого звука в окрестности фазового перехода ектик А - смектрк С. //Пирьмз в ЖЭТФ. -1989. -т.49, вып. 1 -с.ЗО-ЗЗ.

31. Пасечник С.В., Баландин В.А., Прокопьев В.И., Шмелев О.Я. Критическая динамика и акустические параметры нематика в окрестности температуры просветления. // Журнал физ. химии. -1989. -т. , №2. -с.471-476.

32. Кашицын А.С., Пасечник С.В., Шмелев О.Я. Анизотропия акустических параметров при полиморфных превращениях жидкого кристалла. // Вопросы физики формообразования и фазовых превращений : Сб. статей. -Калинин, 1989. -с. 134-139.

33. Баландин В.А., Киреев В.И., Пасечник С.В. Влияние давления на акустооптический эффект в нематике. // Тезисы докладов 6-ой Европейской зимней конференции по жидким кристаллам (Австрия). -1989, р. 37.

34. Баландин В.А., Гурович Е.В., Кашицын А.С., Пасечник С.В., Табидзе А.А., Гольдберг А.К. Экспериментальное исследование критической динамики в области фазового перехода смектик А - смектик С. // ЖЭТФ. -1990. -т.98, №2, с.485-515.

35. Gevorkian E.V., Kashitsin A.S., Pasechnik S.V., Balandin V.A. The Hysteresis of Acoustic Parameters and the Bistability of Smectic-C Liquid Crystal in a Magnetic Field. U Europhys. Lett. -1990. -V.12, №4. -p.353-356.

36. Balandin V.A., Kashitsin A.S., Pasechnik S.V. Anisotropy of acoustical parameters and dynamics of the nematic phase in MBBA. // Molec. cryst. liquid ciyst. - 1990. -V191,- p.371-375.

37. Pasechnik S.V., Balandin V.A., Kashitsin A.S. Measurements of acoustical parameters at reorientation of the smectic С phase. // Molec. cryst. liquid cryst. -1990. -V.192,-p.89-93.

38. Пасечник С.В. Ориентационная релаксация и акустические параметры смектика С во вращающемся магнитном поле. // Магнитная гидродинамика. -1991. -J63-c.33-38.

39. Pasechnik S.V. Acoustical investigations of phase transitions in liquid crystals. // Summer European liquid crystal conference, Lithuania, Vilnius (Abstracts). -1991. -V.2. -p.22

40. Pasechnik S.V., Kashitsin A.S., Chahoian S.Sh. The orientational dependence of ultrasound attenuation in the smectic С phases. // Summer European liquid crystal conference, Lithuania, Vilnius (Abstracts). -1991. -V.2. -p.47.

41. Kashitsin A.S., Chahoian S.Sh., Pasechnik S.V. The frequency dependence of ultrasound absorption coefficient in smectic С phase. // Summer European liquid crystal conference, Lithuania, Vilnius (Abstracts). -1991. -V.2. -p.49.

42. Kireev V.I., Pasechnik S.V., Balandin V.A. Acoustooptical effect in a nematic under a combined influence of electric and magnetic fields. И Summer European liquid crystal conference, Lithuania, Vilnius (Abstracts). -1991. -V.2. -p.56.

43. Pasechnik S.V., Kashitsin A.S. Dynamics of smectic С phase and ultrasound attenuation in the rotating magnetic field. // European liquid crystal conference, -Italy, Oauruweur - Walle, d'Aosta (Abstracts). -1991. -p. 87.

44. Balandin V.A., Gurovich E_V., Kashitsin A.S., Pasechnik S.V. Critical attenuation of ultrasound near the smectic A - smectic С phase transition. П European liquid crystal conference, -Italy, Qauruweur - Walle, d'Aosta (Abstracts). -1991. -p.55.

45. Gevorkian E.V., Kashitsin A.S., Pasechnik S.V., Balandin V.A. The ^stability and the hysteresis of acoustic parameters of smectic С liquid crystal in a riagnetic Held. // European liquid crystal conference, -Italy, Bauruvveur - Walle, Г Aosta (Abstracts). -1991. -p.84.

46. Balandin V.A., Gurovich E.V., Kashitsin A.S., Pasechnik S.V. An lltrasonic investigation of the critical behavior of the elastic moduli near the smectic С • smectic A phase transition. II Liquid crystals. -1991. -V.9.,№4. -p.551-564.

47. Пасечник C.B. Динамика ориентациониой структуры и коэффициент юглощения ультразвука смектика «С» во вращающемся магнитном поле. // Доклады XI Всесоюзной акустической конференции (Москва). -1991. -Г.89-92.

48. Баландин В.А., Киреев В.И., Пасечник С.В. Влияние давления на щнамику акустооптического эффекта в нематике. // Доклады XI Всесоюзной нсустической конференции (Москва). -1991. -Г - 70 - 72,

49. Pasechnik S.V., Chahoian S.Sh. Magnetic field induced variations of tincture of a smectic C. // 15-th International Liquid Crystal Conference, Budapest, lungary (Abstracts). -1994. -V.l. -B -Sbp -18.

50. Пасечник C.B., Баландин B.A., Чахоян С.Ш., Кашицын А.С. Зсобенности критического поглощения ультразвука в жидкокристаллической ншарной системе, образующей NAC точку. //Журнал физ. химии. -1994. -№2. -:. 335-339.

51. Пасечник С.В. Структурные особенности и акустические параметры мектика С в ненасыщающем магнитном поле. //Изв. АН Сер. физ. -1996. -т.60, &4. -с.58-65.

52. Пасечник С.В., Киреев В.И., Баландин В.А. Динамика изменений риентационной структуры нематика в электрическом поле под действием льтразвука при варьируемом давлении. // Изв. АН Сер. физ. -1996. -т.60, №4. -.36-42.

53. Пасечник С.В., Баландин В.А., Ежов СР., Киреев В.И. «Способ пределения физико-механических параметров жидких кристаллов.», а.с. к 1325349, 1987 г.

54. Баландин В.А., Ежов С.Г., Киреев В.И., Пасечник С.В. «Устройство ля определения интенсивности ультразвуковой волны.» а.с. №1380435, 1988 г.

55. Орлов В.А., Баландин В.А., Пасечник С.В., Зоткин С.П., Соловьев I.E., Васильев Н.Н. «Измеритель разности давлений.» Патент РФ, №1719944, 991 г.

56. Баландин В.А., Пасечник С.В., Орлов В.А. «Измеритель разности авления.» Патент РФ, №2008637, 1994 г.

57. Баландин В.А., Пасечник С.В., Геворкян Э.В. «Способ измерения авления.» Патент РФ, №2036447, 1995 г.

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

Рис. I. Критическое возрастание коэффициента поглощения ультразвука в изотропной фазе БББА при частотах: о - 0,15 МГц; + - 0,27 МГц; □ - 1,0 МГц.

¿.ГО"13 м-1с2

8

0,4 0,8 4 8 15 МГц

Рис. 2. Коэффициент <£<в нематической фазе БББА при различных частотах ультразвука; « - Т = 320,3 К; • - Т = 332,3 К.

^ , 10~12м-Гс2

10

ж

л \

I? * * 1« •у i \ \\

/ \\у

, А"

340 345 350 Т, К

Рйс. "3. Коэффициент поглощения ультразвука при фазовом переходе нематик-смектик А в 409; | = 0,25 /*./, 0;б/о/, 1,1 /А /, 3 /•'/, 8,7 А/, 13,8 /V/, 27,7 /а / МГц.

А

, Ю-Г2м-1с2

50'-

Ю Ь

0,1 1,0 ДТ К ___

/а/ * 0,3 I 3^,МГц

. . /б/ Рис. 4. Температурные //а/ - БББА/ и частотные //б/ - 409/ .. зависимости критических вкладов в коэффициент поглощения ультразвука в окрестности/ Т> Т>А-/; / = 0,15 /о/, 0,27 /•/, 0,51 /д/, 1,0 Л /, 1,25 /о / МГц; ДТ^А = 0,15 /«/, 1,1 /х/ К.

Ряс. 5. Критическое возра тание коэффициента ёс в окрестности / 6010/; J = 3 Л/, 5 /г /, 8,7 /+./, 15,8 /■ /, 27,7 /о / МГц.

Т, К ¿Ус//"' , Ю"17с2

Рис. 6. Температурная 4 зависимость коэффициента (7С вблизи ТуА /409/; 2 S = 3/./, 5 / г/, 8,7/+/, 13,8 /♦ /, О 27,7 /■ / МГц.

-2

-4

. •_,_* т

-S^s—■—-—■—1

T>A

350

355 Т.

'-0,2

-0,4

0,5 I 5" 10 МГц

Рис. 7. Частотная зависимость диссипативного параметра Сое в.БББА в окрестности Тм ; = ОД /о /, 0,2 /о

0,37 А/, 0,96 /•/, 3,8 /7 /, 25 /л/ К.

с , ю3 м с"1

с1Ц* % Ю-^м^с2

"1,34

345 350

/а/

1,29

345

/б/

350

Т, К

Рис; 8. Анизотропные аномалии коэффициента поглощения //а/ -

{ = 0,6 МГц/ и скорости //б/ - £ = 0,36 МГц/ ультразвука в 6010 при переходе смектик А-смвктик С.

ГЛО8'дин/см2''' Р", 108 дин/см2'"

60

343 348 Т, К 343 348 Т, К

/а/ /6/

Рис. 9. Действительная /а/ и мшшая /6/ -части динамического коррелятора параметра порядка при переходе смектик А - смектик С в 6010; /а/ - / = 0,36 /° /, 3 /я/, .5 /л /, 8,7 /• /, 15,6 /г Д 27,7 /о / МГц; /б/ - / = 0,36 /о /, 3 /о /, 5 /а /, 8,7 /• /, 15,6 /ч /, 27,7 /« / МГц.

АС. м/с.

О

/ 1аТ|=8к

ЦТМ5К <

ЬТЦ ЗК 4

>/ »- итцгк

I

ытмк

, юг

,-12 ,„-1„2

20

10

0,3 0,8 Х.м.д.

Рис. 10. Анизотропия скорости ультразвука в смектической С фазе смеси 608:6010; X - концентрация 6010 /£ = 0,36 МГц/.

$ = 0к"36 МГц „'

« - 6011) I . - 608 / + - х= 0.25,^.3. "

-6 -3 ¿Т^ Рис. II. Поглощение улътраэ! в смектической С фазе при ра личных концентрациях компоне в смеси 608:6010.

Рис. 12. Геометрия М акспех мента по воздейстаию вращающегося магнитного поля на сл тическую С фазу / поле вращг ся в плоскости слоев/.

Рис. 13, Угловые зависимости коэффици- 1ДЗ: ента поглощения ультразвука в смвк--таке С для геометрии №1; сплошная линия - ^од аппроксимация выражением /13/.

, Ю-12 м_1с2

Рис. 14. Угловая зависимость коэффициента поглощения : ультразвука в смек- 4 о тетеской С фаза 6010 при различных скоростях вращения 3,9 магнитного поля; £Ол= 0,02 /■/, 0,12 /х/, 0,45/в/ 0 100 200 300

рад/с.

и/А Ю-12 м-1 с2

- ът^

МИНИСТЕРС^Ща^Щ ^О''етРОФЕШй@8ШИЬНОШ..ОБРАЗОВАНИЯ РФ

московски гасУДХ^^^ и

II (решето от" ^Ф^АТИКИ

присудятугг---

%

.........^Ч'Ь-^ау-

На правах рукописи УДК 532.783:534.6

ПАСЕЧНИК СЕРГЕЙ ВЕНИАМИНОВИЧ

УЛЬТРАЗВУК И ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДАХ И СТРУКТУРНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЯХ В ОРИЕНТИРОВАННЫХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛАХ

01.04.14 - Теплофизика и молекулярная физика Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

МОСКВА 1998 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................7

Глава 1. КРИТИЧЕСКАЯ ДИНАМИКА ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА НЕМАТИК - ИЗОТРОПНАЯ ЖИДКОСТЬ........................................16

1.1. Методические особенности измерения анизотропных акустических параметров жидких кристаллов в области полимезоморфных превращений...........................................................................................16

1.2. Динамические процессы и акустические параметры в окрестности температуры просветления.............................................................24

1.2.1. Коэффициент поглощения и скорость ультразвука при немати-ко - изотропном переходе.....................................................................26

1.2.1.1. Соединения с широким интервалом существования немати-ческой фазы..........................................................................................27

1.2.1.2. Мезогенные соединения с узким интервалом существования нематической фазы.................................................................................30

1.2.2. Критическая динамика N -1 перехода......................................32

1.2.2.1. Предпереходные аномалии в изотропной фазе.....................32

1.2.2.2. Влияние N -1 перехода на коэффициент поглощения и скорость ультразвука в нематической фазе...............................................39

1.3 Параметры угловых зависимостей коэффициента поглощения и скорости ультразвука в нематической фазе.........................................42

1.3.1. Угловая зависимость коэффициента поглощения ультразвука и диссипативные параметры нематика....................................................44

1.3.2. Параметры угловой зависимости скорости ультразвука и релаксационные процессы в нематиках .................................................55

Глава 2. ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ОКРЕСТНОСТИ

ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА НЕМАТИК - СМЕКТИК А......................60

2.1. Акустические параметры нематической фазы в окрестности фазового перехода нематик-смектик А...................................................62

2.1.1. Температурно- частотные зависимости коэффициента поглощения и скорости ультразвука............................................................62

2.2. Анизотропный характер скорости у-льтразву-ка при фазовом переходе нематик - смектик А................................................................71

2.2.1. Анизотропия скорости ультразвука в окрестности 1 мД..........73

2.2.2. Параметры угловой зависимости анизотропии скорости ультразвука при фазовом переходе нематик-смектик А..........................77

2.3. Влияние критических процессов на анизотропию поглощения ультразвука.............................................................................................85

Глава 3. АНИЗОТРОПНОЕ РАСПРОСТРАНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА ПРИ ФАЗОВОМ ПЕРЕХОДЕ ВТОРОГО РОДА СМЕКТИК А -СМЕКТИК С...........................................................................................99

3.1. Особенности критической динамики фазового перехода смектик А - смектик С..................................................................................99

3.2. Анизотропная скорость ультразвука и аномалии упругих модулей в области фазового перехода смектик А - смектик С............... 107

3.3. Особенности критических аномалий анизотропного поглощения ультразвука при фазовом переходе смектик А - смектик С............117

Глава 4. ОСОБЕННОСТИ КРИТИЧЕСКОИ ДИНАМИКИ В СИСТЕМЕ С МУЛЬТИКРИТИЧЕСКОЙ ТОЧКОЙ НЕМАТИК-СМЕКТИК А - СМЕКТИК С............................................................128

4.1. Акустические параметры в окрестности температуры просветления при изменяющемся температурном интервале существования нематической фазы ............................................................................129

4.2. Скорость и коэффициент поглощения ультразвука на линии переходов в смектические фазы.............................................................133

4.3. Анизотропия поглощения ультразвука при фазовых переходах из нематической в смектические С и А фазы...................................140

4.4. Акустические параметры смектической С фазы.......................147

Глава 5. УЛЬТРАЗВУК И СТРУКТУРНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ В СМЕКТИКАХ С, ВЫЗВАННЫЕ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ . .

5.1. Изменения акустических параметров при переориентации смек-тической С фазы.............................................................................153

5.1.1. Угловые зависимости коэффициента поглощения ультразвука во вращающемся магнитном поле.....................................................154

5.1.2. Анизотропия скорости и коэффициента поглощения ультразвукам смектической С фазе в статическом магнитном поле........162

5.2. Бистабильность и гистерезис акустических параметров в смектической С фазе...............................................................................165

5.3. Акустические исследования смектической С фазы при вариации слоевой структуры..........................................................................169

5.3.1. Индукционные зависимости коэффициента поглощения ультразвука в смектической С фазе..........................................................171

5.3.2. Ориентационные зависимости поглощения ультразвука в смектиках С с различающейся слоевой структурой........................176

Глава 6. ОСОБЕННОСТИ ПОВЕДЕНИЯ ОРИЕНТАЦИОННОЙ СТРУКТУРЫ СМЕКТИКА С В ИЗМЕНЯЮЩИХСЯ МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ.............................................................................:..................181

6.1. Модельные представления о воздействии магнитного поля на смектическую С фазу.......................................................................181

6.2. Индуцированные магнитным полем изменения ориентационной структуры смектика С в случае аксиальной симметрии................195

6.2.1. Влияние на ориентационную структуру смектика С сильного магнитного поля..............................................................................195

6.2.1.1. Изменения ориентационной структуры и коэффициента поглощения ультразвука в области моностабильности........................196

6.2.1.2. Особенности акустического отклика смектика С в области бистабильности................................................................................199

6.2.2. Вариации ориентационной структуры смектика С и коэффициента поглощения ультразвука в слабых магнитных полях.............203

6.3. Ориентационная структура смектической С фазы при отсутствии аксиальной симметрии.............................................................205

6.3.1. Изменения структуры смектика С в слабом магнитном поле нормальной ориентации..................................................................205

6.3.2. Изменения ориентационной структуры при вращении магнитного поля в плоскости смектических слоев......................................206

6.3.2.1. Динамика ориентационной структуры и коэффициент поглощения ультразвука при вращении поля большой напряженности .........................................................................................................207

6.3.2.2. Влияние бистабильности на динамический отклик смектика С во вращающемся магнитном поле...................................................212

6.3.3. Поведение смектика С при вращении магнитного поля в плоскости, ортогональной смектическим слоям.....................................214

6.3.3.1. Динамический отклик идеального смектика С на вращающееся поле умеренной напряженности.............................................215

6.3.3.2. Влияние типа слоевой структуры на переориентацию смектика С во вращающемся магнитном поле ......................................217

Глава 7. УЛЬТРАЗВУК И ДИНАМИКА ИЗМЕНЕНИЙ ОРИЕНТАЦИОННОЙ СТРУКТУРЫ НЕМАТИКА В ОКРЕСТНОСТИ ПЕРЕХОДА ФРЕДЕРИКСА.............................223

7.1. Методика исследования динамики изменений ориентационной структуры при комбинированном воздействии электрического, магнитного и акустического полей........................................................224

7.2. Теоретические представления о релаксации слоя нематического жидкого кристалла..........................................................................228

ний..........................................................................................................241

7.6.1. Влияние магнитного поля на динамику ориентационной структуры.......................................................................................................241

- б -

7.6.2. Ориентационная релаксация в условиях воздействия электрического и магнитного полей..............................................................244

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................248

ЛИТЕРАТУРА.....................................................................................251

ПРИЛОЖЕНИЕ...................................................................................262

/

ВВЕДЕНИЕ

На протяжении последних десятилетий жидкие кристаллы (ЖК) привлекают к себе пристальное внимание широкого круга специалистов, занимающихся как фундаментальными исследованиями физических свойств конденсированного состояния вещества, так и практическим применением новых материалов в приборостроении. Промежуточное положение жидкокристаллического состояния вещества, многообразие мезофаз, отличающихся ориентационными и трансляционными структурами, разнообразные типы полимезоморфизма, присущие различным химическим соединениям делают жидкие кристаллы исключительно интересными объектами с точки зрения экспериментального исследования фазовых превращений различного типа и проверки адекватности основных положений современной теории фазовых переходов. При этом наибольший интерес представляют полимезоморфные превращения, не сопровождающиеся сильными скачками первых производных от термодинамических потенциалов, которые в той, или иной степени, приближаются к классическим фазовым переходам 2-го рода. В жидкокристаллических соединениях к указанным превращениям можно отнести фазовый переход смектик А-смектик С (А-С)и, с некоторыми оговорками, переход нематик-смектик А (Ы-А). Наиболее изученный фазовый переход нематик-изотропная жидкость(М-1) сопровождается относительно малыми скачками плотности и энтропии, что позволяет отнести его к слабому переходу 1-го рода, в окрестности которого имеют место характерные критические явления. Для всех, отмеченных выше полиморфных превращений наблюдались сильные предпере-ходные аномалии [ I - б ] в поведении как равновесных

(теплоемкость, сжимаемость), так и неравновесных (вязкость, теплопроводность) параметров жидких кристаллов, причем последние изучены в существенно меньшей степени.

Хорошо известно [1,6-8 ] что акустические методы являются эффективным средством исследования критических динамических процессов в области фазовых переходов. Выполненные к настоящему времени ультразвуковые исследования в окрестности температуры про-

светления [6,8-15 определенно демонстрируют перспективность использования акустических методов для изучения динамики фазовых переходов в жидкокристаллических соединениях. Тем не менее, даже для нематико -изотропного перехода остается ряд нерешенных проблем, затрудняющих интерпретацию результатов ультразвуковых исследований в рамках динамической теории фазовых переходов. В первую очередь к ним относится проблема надежного выделения критических вкладов в акустические параметры, связанных именно с динамическими процессами, протекающими в окрестности температуры просветления. С учетом возможности существования в жидкокристаллических соединениях внутримолекулярных релаксационных процессов, времена которых сравнимы с характерными временами критических релаксационных процессов, решение данной задачи не является тривиальным. Одним из эффективных способов повышения информативности результатов ультразвуковых измерений с точки зрения исследования критической динамики фазовых переходов, является снижение частоты ультразвуковых колебаний, приводящее к существенному возрастанию аномальных вкладов в акустические параметры за счет критического замедления динамических процессов при приближении к температуре перехода. Однако, возникающие при этом серьезные трудности методического характера существенно ограничивают возможности расширения ультразвукового диапазона в области низких частот. В связи с этим подавляюща часть ультразвуковых исследований жидких кристаллов, выполнена на частотах ультразвука, больших 1 МГц. Отдельные измерения[ 9, II, 12 ], проведенные при более низких частотах не решают проблему в це-. лом. Еще большую актуальность понижение частоты ультразвука приобретает при исследовании фазовых переходов 2-го рода (смектик А-смектик С), или приближающихся к последним ( нематик-смектик А), т.к в этом случае ( в отличии от N-1 перехода) характерные времена критических процессов расходятся к температуре перехода и следовательно уменьшение частоты напрямую связано с возможностью изучения критических процессов в непосредственной близости к температуре расходимости. Как будет показано в данной работе, в отдельных случаях заметные аномалии акустических параметров в области полимезоморфных превращений наблюдаются лишь при предельно низких частотах ультразвука.

Особо следует подчеркнуть важность низкочастотных измерений акустических параметров с точки зрения проверки выводов динамической теории критических явлений в жидких кристаллах.

Действительно, в большинстве случаев аналитические выражения для температурно-частотных зависимостей аномальных акустических параметров, связанных с рассматриваемым фазовым переходом, удается получить лишь в низкочастотном( или высокочастотном) пределах, где отмеченные аномалии подчиняются простым законам с универсальными критическими показателями[ 1, 10 ]• При этом особый интерес представляет именно случай низких частот в связи со значительным увеличением критических вкладов. Использованный в данной работе акустический резонатор позволил существенно понизить границу частотного диапазона ультразвуковых исследований (до 0,2 МГц), и,с дополнительным использованием традиционного импульсно-фазового метода, получить достоверную информацию о температурно-частотных зависимостях критических аномалий акустических параметров.

Особенностью критических явлений, присущих именно полимезоморфным превращениям в жидких кристаллах, является их анизотропный характер. С точки зрения акустических исследований он предполагает проведение измерений не только абсолютных значений скорости (с) и коэффициента поглощения (а) ультразвука, но и их вариаций, вызванных изменением угла 0 между средним направлением длинных осей молекул (директором п) и волновым вектором Анализ угловых зависимостей акустических параметров позволил провести детальную проверку выводов динамической теории критических процессов в жидких кристаллах. Особенно много новой информации было получено для фазового перехода смектик А - смектик С, для которого критические процессы имеют ярко выраженный анизотропный характер [ 13 ]■ Акустическим исследованиям критической динамики фазовых переходов нематик - изотропная жидкость, нематик-смектик А, смектик А-смектик С посвящены первые три главы диссертации. В четвертой главе описаны результаты акустических исследований критической динамики в бинарной жидкокристаллической системе, имеющей мультикритическую КАС-точку. Особенностью системы является происходящее в окрестности КАС-точки изменение ти-

па ; полимезоморфизма; :и . рода перехода из нематической в смектиче-скую (А или С) фазы. Указанными изменениями можно управлять за счет вариации процентного содержания компонентов системы. Несмотря на то ,что термодинамические свойства ( в частности теплоемкость) таких систем исследовались довольно тщательно[ 1, 14 ], информация о соответствующей динамике критических процессов практически отсутствует. Представленные в четвертой главе данные ультразвуковых исследований однозначно указывают на зависимость характера критических аномалий от близости к ЫАС-точке.

Отдельной проблемой, рассмотренной в диссертации, является вопрос о возможности использования акустических методов для исследования изменений макроструктуры жидких кристаллов, вызванных полями (магнитными и электрическими). Известно, что из всех мезофаз только не-матическая и смектическая С-фазы обладают способностью изменять физические свойства под действием относительно слабых полей, что связано с кооперативным характером отклика молекул на приложенные поля. Проведенные ранее исследования [ б, 15 ] показали высокую информативность акустического метода при исследованиях квазистатических и динамических изменений ориентационной структуры нематиков в условиях воздействия различных ориентирующих факторов (магнитных полей и сдвиговых течений). В смектической С-фазе умеренное магнитное поле способно воздействовать на ориентационную структуру без деформации слоевой структуры. Это открывает возможность установления однозначной связи вызванных полем изменений акустических параметров с вариациями . ориентационной структуры смектика С. При этом следует учесть, что вследствие пространственных ограничений, накладываемых на движение С-директора, варианты отклика смектика С на воздействующие поля существенно многообразнее, чем в случае НЖК[16, 17, 18]. Основная проблема заключается в том, насколько существующие модельные представления о структуре смектической С-фазы и характере ее изменений в магнитных полях соответствуют поведению реальных образцов смектиков С. Решения данной проблемы могут быть пол