Влияние примесей длинноцепочечных алифатических соединений на фазовые переходы и электрофизические свойства Н-метоксибензилидена -Н-бутиланилина тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Введение

Г л а в а I II

1.1. Краткие сведения о жидких кристаллах . II

1.1.1. Типы жидких кристаллов.II

1.1.2. Методы ориентации жидких кристаллов

1.1.3. Электрогидродинамические неустойчивости в нематических жидких кристаллах

Г л а в а П 22 МЕТОДИКА ПРИГОТОВЛЕНИЯ ОБРАЗЦОВ И ПРОБОДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА.

2.1. Образцы для исследований.

2.1.1. Исследовавшиеся вещества.

2.1.2. Конструкция использовавшихся ячеек.

2.2. Методика эксперимента

2.2.1. Система термостатирования образцов.

2.2.2. Визуальные наблюдения фазовых переходов и электрогидродинамических неустойчивостей

2.2.3. Частотные измерения диэлектрической проницаемости

Глава Ш

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕКОТОРЫХ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МЕБА.

Введение

3.1. Температурная зависимость диэлектрических характеристик МЕБА.

3.2. Зависимость диэлектрических характеристик . МЕБА от частоты.

3.3. Наблюдение электрогидродинамических неус-тойчивостей в МЕБА

Глава 1У.

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДЛИННО

ЦЕПОЧЕЧНЫХ АЛИФАТИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ.

В в е д е н и е

4.1. Результаты измерения диэлектрических характеристик цетилиодида

4.2. Результаты измерения диэлектрических характеристик гексадекана

Глава У.

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕБА, ЛЕГИРОВАННОГО ДЛЙННОЦЕЮЧЕЧНЫМИ АЛШТИЧЕСКИМИ СОЕДИНЕНИЯМИ.

В в е д е н и е

5.1. Результаты исследований температур фазовых переходов МЕБА, легированного некоторыми ДАС 95 5.2. Исследования температурных зависимостей диэлектрических характеристик МЕБА, легированного ДАС.

5.3. Концентрационная зависимость диэлектрической проницаемости МЕБА, легированного ДАС.

5.4. Зависимость диэлектрической проницаемости МББА, легированного цетилиодидом, от толщинн исследуемого образца.

5.5. Частотные измерения диэлектрической проницаемости

5.6. Электрогвдродинамические нестабильности в МББА, легированном ДАС

5.7. Обсуждение результатов исследований электрофизических свойств МББА, легированного некоторыми ДАС . III

Дкууальност;ь дроблены. Настоящая работа посвящена изучению некоторых физических характеристик жидких кристаллов. Главная особенность этих кристаллов заключается в том, что они обладают свойствами, характерными для смежных агрегатных состояний: с одной стороны - анизотропией упругих,электрических, оптических и т.п. характеристик, присущей твер-докристаллическому состоянию вещества, с другой стороны -текучестью, способностью собираться в капли, принимать форму сосуда, в котором эти жидкие кристаллы находятся, и т.п. характеристиками, свойственными жидкостям.

Исследования жидких кристаллов представляют болыцой интерес для физики конденсированных состояний. Интересна, например, проблема фазовых переходов, особенность которой в жидких кристаллах связана с тем, что в небольшом температурном интервале в одном и том же веществе могут существовать разноообразные переходы между жидкокристаллическими фазами, различающимися как характером упорядочения, (нема-тик - смектик) [I ] » так и симметрией - при одинаковом характере упорядочения, например,(смектик - смектик) [2] *

Другая интересная проблема - потеря устойчивости однородного распределения директора К под влиянием внешних полей, например, возникновение различного рода динамических неустойчивостей [3,4,5] •

Кроме этого, некоторые типы жидких кристаллов могут слушъ хорошей моделью для двумерных систем. Уникальным их свойством является также легкость и доступность создания разнообразного рода нарушении, богатство типов дисклинаций. Для практического применения важна возможность изменения электрических, оптических и других характеристик жидких Кристаллов сравнительно слабыми внешними полями.

В настоящей работе исследовались фазовые переходы и электрофизические свойства 1-метоксибензшшдена-1--бутилани-лина (МББА) при введении в него длинноцепочечных алифатических соединений (ДАС). Из большого ряда длинноцепочечных алифатических соединений выбрано пять представителей различных гомологических рядов с одинаковой длиной молекул (цетил-иодид, гексадекан, гексадецен, октадекан и гексадекановая кислота), обладающих различной электроактивностью.

Выбор МББА в качестве основного вещества был неслучайным: во-первых, это вещество обладает шдкокристаллической фазой в большом интервале температур, включая комнатную, что является существеннымв его практическом применении, а также представляет большие возможности исследования различных характеристик вещества в широком температурном интервале; а во-вторых, с жидкими кристаллами МББА к моменту начала настоящей работы было выполнено много оптических, структурных и других исследований, так что большинство констант, характеризующих это вещество (упругие, вязкостные и другие), хорошо изучены, что позволило широко использовать литературные данные для оценки (качества) исходного жидкого кристалла.

Как известно из литературы [е] , МББА сильно подвержен влиянию воздушной атмосферы и может значительно менять свои электрофизические параметры. Это приводило к необходимости предварительно измерять электрофизические характеристики вещества при использовании его в качестве матрицы для введения примеси.

Дшшноцепочечные алифатические соединения были выбраны для легирования по следующим причинам.Во-первых,некоторые из этих соединений представляют интерес для изучения сами по себе,поскольку они,с одной стороны,часто используются в качестве химического сырья при синтезе (например,алкилиодиды) [71, а с другой стороны - являются удобной моделью для изучения более сложных химических соединений.Во-вторых,молекулы различных этих соединений,обладая стерической формой, подобной форме молекул МББА,различаются меяду собой электрической активностью (различным дипольным моментом ^а : от нуля,например, у молекул гексадекана,до довольно значительной величины ^ =1,8 Д - у цетилиодида) [8]. В-третьих,хотя в литературе и представлено большое количество результатов исследований двух- и трехкомпонентных составов,находящихся в жидкокристаллической фазе,однако,в основном эти компоненты сами являлись жидкими кристаллами,легирование же жидких кристаллов соединениями, не имеющими жидкокристаллической фазы,изучено значительно меньше.

Таким образом, актуальноеть темы диссертационной работы определяется как самой физической задачей, так и выбранными объектами исследования.

Пели и задачи работы. Целью настоящей работы являлось исследование влияния заряда примеси на физические характеристики жидких кристаллов при сохранении геометрической формы и структуры молекул примеси. При этом изучались: диэлектрическая проницаемость и диэлектрические потери, температуры фазовых переходов изотропная жидкость - жидкий кристалл, жидкий кристалл - твердое тело, а также электрогидродинамические (ЭГД) неустойчивости.

В связи с поставленной целью исследований возникли три задачи:

Первая задача - подробное изучение температурных и частотных зависимостей диэлектрических характеристик МЕБА, исходного жидкого кристалла, а также изучения некоторых характеристик ЭГД неуотойчивостей, возникающих в нем.

Вторая - определение области существования различных фаз исследования диэлектрических характеристик использующихся в работе вышеуказанных примесей ДАС.

Третьей - и основной - задачей являлось изучение влияния легирования МББА дешнноцепочечными молекулами алифатических соединений на область существования жидкокристаллической фазы, диэлектрические характеристики и ЭГД неустойчивости.

Наущая, нрризна. Несмотря на то, что уже выполнено большое количество работ, в которых изучалось влияние примесей на различные физические характеристики жидких кристаллов, исследований различных характеристик вблизи точек фазового перехода жидкий кристалл - твердое тело и твердое тело - жидкий кристалл сравнительно немного.

В настоящей работе представлен ряд результатов, не описанных ранее в литературе.

1. Бри исследовании температурных и частотных зависимостей комплексной диэлектрической проницаемости М6БА, легированного цетилиодидом, был получен аномальный ход действительной части диэлектрической проницаемости в области фазового перехода твердое тело - жидкий кристалл,

2. Сравнительное систематическое исследование области существования и диэлектрических характеристик МББА, легированного заряженными и незаряженными примесями, показано, что легирование заряженными примесями приводит к резкому изменению электрофизических свойств жидких кристаллов, обусловленному разориенташей молекул жидких кристаллов в поле заряженной примеси, в то время как незаряженные примеси изменяют свойства очень незначительно.

3. Получены количественные данные, характеризующие диэлектрические свойства ДАС и МББА, легированного этими ДА.С.

Научная ж шактичестя деяност;ь. Полученный в работе аномальный ход диэлектрической проницаемости МББА, легированного цетилиодидом, в области фазового перехода твердое тело - жидкий кристалл может быть использован для установления природы электрической поляризации при фазовых переходах подобного рода. Увеличение проводимости МББА, при легировании его цетилиодидом, позволило получить более четкую картину различных электрогидродинамических неустойчивостей, в более широком интервале частот и напряжений. фактическая ценность результатов заключается в том, что в работе показано как введение определенных примесей позволяет изменять и управлять свойствами жидких кристаллов.

Арр.обяшш рдбр.тд. Основные результаты диссертационной работы докладывались на :

1. 13 Европейском конгрессе по спектроскопии (г.Вроцлав, ПНР, 1978).

2. Украинском совещании по жидким кристаллам, г.Киев,

1979.

3. Научных семинарах Ш УССР.

Ду&ШШШ. По материалам диссертации опубликовано 4 работы.

Об,ъем ж структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Общий объем диссертации 122 страницы. Состоит из: 80 страниц основного текста, 57 названий цитируемой литературы, 38 рисунков, 3 таблиц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

I. Экспериментально установлены температуры фазовых переходов (17°С-44°С), температурная и частотная зависимость комплексной диэлектрической проницаемости МЕБА в различных агрегатных состояниях, определено время релаксации молекул МЕБА вокруг короткой оси ( 1СГ7с), из Коул- Коуловоких диаграмм вычислен параметр распределения времен релаксации ^-1,3).

П. Исследованы температуры фазовых переходов изотропная жидкость - кристалл (некоторых длинноцепочечных алифатических соединений (ДАС), цетилиодида, гексадекана, гексадекановой кислоты, октадекана, гексадецена, измерены величины комплексной диэлектрической проницаемости в этих агрегатных состояниях, исследованы частотные зависимости комплексной диэлектрической проницаемости. Определено время релаксации для молекул цетилиодида С£~~ПГ9с).

Ш. Исследовано влияние легирования МЕБА длинноцепочеч-ными алифатическими соединениями на температуры фазовых переходов (изотропная жидкость - жидкий кристалл, а также жидкий кристалл - твердое тело ) в зависимости от концентрации примесей, изучены температурные и частотные зависимости комплексной диэлектрической проницаемости легированного МББА.

Впервые получено аномальное поведение (максимум) в температурном ходе действительной части диэлектрической проницаемости ГЛЕБА, легированном цетилиодидном, исследована величина этого максимума от концентрации примеси, толщины образца, а также от частоты электрического шля; исследованы некоторые свойства электрогидродинамических неустойчивоотей как для МББА, так и для МББАлегированного изучавшимися ДАС.

Результаты исследований опубликованы в журналах:

1. У Ф Ж, 1979, 24, № 3, с.317-325

2. 1 Ф X, 1982, 54, № I, с.184-186

3. У $ Ж, 1982, 27, £ 6, с.880-883

Докладывались на Европейской конференции по "спектроскопии вещества" в г, Вроцлаве в 1978 г., а также на совещании по исследованию жидких кристаллов, проходившем в г. Возреле в 1979 г*

1. Боий А., Адоменас П. Термодинамические характеристики фазовых переходов в бинарной смектической системе. - Кристаллография. 1982, 27, № 5, с.1010-1011.

2. Беляков Б.А., Сонин A.C. Оптика холестерических жидких кристаллов. М.: Наука, 1982. - 360 с.

3. UhlUbwis Ц. <Qomaùizs> Сп ^CiouvoL Qtubtalzr

4. Chem.'Phut. /963, 32, л/2.1 p.p,3&*t-3&&.

5. J. Щ 7Ulfbéck Wf tfantaétoi-ulI o^ùtUcdùoi^x otz ¡bbmcdic Xtûufcl Clyst&il.-Jjopi-pUfS. хаи 1Щ se, rr

6. Чистяков И.Г., Вистинь Л.К. Домены в жидких кристаллах.

7. Кристаллография, 1974, 19, № I, с.195-216.6. d&o-sfrc СюкьЬыгй о{ Иш /Janeitici )ÙûmJ C%y$faliiHe ^Ph&bt of ¡о- Me.tkc>Kijéw&uÙGle*iebfl^niùtu. (JUmJJ. tr?, л/4, pp 1*tOO-{tiOSb

8. Чичибабин A.E. Основные начала органической химии. M.: Химия, 1963. - t.I. 910 с.

9. Осипов O.A.,Минкин В.И.»Гарновский А.Д. Справочник по диполь-ным моментам. М. : Высшая школа, 1971. - 414 с.

10. Капустин А.П. Экспериментальные исследования жидких кристаллов. М.: Наука, 1978. - 368 с.

11. Бликов ил. Электро- и магнитооптика жидких кристаллов. -М.: Наука, 1978. 384 с.

12. Пикин С.И. Структурные превращения в жидких кристаллах. М. : Наука, 1981. - 336 с.

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

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

15. Чистяков И.Г. Жидкие кристаллы. УШ,1966,89,11 4,с.563-602.

16. Сонин А.С. Введение в физику кристаллов. М.: Наука,1983.-319 с.

17. Хал с/гке. УС. гиге ¡Л ¿с^вЛ-Сон. о^ а, ¿гтгскис- ^ГкЬпм^1. С^и. 4 ^ Г!0'17 ¿/е- й^е.* 31 . сЙ ^Ь'ЫАоЬи'шЛ Ооиьь/^оа.ЬСопи о^и.чъы, ек И//-4,

18. Инденбом В.Л.,Пикин С.А.,Логинов Е.Б. Фазовые переходы и сегнетоэлектрические структуры в жидких кристаллах.- Кристаллография. 1976, т.21, № 6, с.1093-1100.

19. Де-Же В. Физические свойства жидкокристаллических веществ.-М.: Мир, 1982. 151 с.20. дампт^ у.Х, СГЯт ^¿¿м ртииг^Ьеп Ш<2, 84, д/^ рр. /?2>; 21. <£ СТел-ЛСС по-ъг ¿см. X.пЬсЛ^ыъ J neiniCk.itс1. и.1. Сапип,рр ■ /¿<2? -/250.

20. Цветков В.,Сосновский А. Диамагнитная анизотропия кристаллических жидкостей. ЖЭТФ, 1943, 13, № 9-10, с.353-360.23. '¿¿^¿бь ('п /¿/е/7

21. Съел?. <си'1<4 %1'^и, Съу*/. /9 34-44.24.'З^Ьье-хси ^¿ЫЪ^в М., Л л/еаГ ^ре-«затеей* и ¿Ьъ^сЛиге ¿и Ас. ^{^иге!25в СаЛ&. Т,, ¿Нот Щ-.Т 3ibfiüie.nce.

22. О/ ¿£e.iÜ¿c 9¡*.¿cU Olí- ike J/JUЯ &fUci*£LcLlmAíd ¿W p'iJ-miatcüittHó. JcebJje.

23. Китайгородский А.И. Молекулярные кристаллы. M.: Наука, 1971, 424 с.30. ¿ftbti&ltizamuvL'Sb., UitiduuCLmutli S/msÁú/ААчЛ

24. Jesun<xa,íf opticcu-L, JC- *ZtA.uj ¡VI^'UA,>u&cI tí^ncl jJMX vluolt e-s 0-r d. lo/tÄSß- cf bciviß. itíiod/Cp wlLee e & ée .

25. X^.CbyU*, 43Щ á, гг.ъъэ-ъеё.31. ¿fUuiiviJl. ^Tk-e clutiáP zí'Lctctb/ге c^ íke nclmal öü^^jitnes cJ, ъапд!^ faow HiciL-ф1 ¿¿«unid ío the inxltltne, p#¡*is.-ccj, S*cv 4 9tO, J 1Z?, pjo.

26. Стрепихеев A.A., Деревицкая В.А., Слонимский Г.Л. Основыхимии высокомолекулярных соединений.-М.,Химия, 1967 , 514 с.

27. Сканави Г.И. Диэлектрическая поляризация и потери в стеклах и керамических материалах с высокой диэлектрической проницаемостью. М.-Д.: Государственное энергетическое издательство, 1952, 175 с.

28. Данченко В.Ф., Пучковская Г.А. Электрические свойства МББА легированного длинноцепочечными алифатическими соединениями. УФЖ, 1982, 27, & 6, с.880-883.

29. Карасева И.А., Лебедев В.И. Вопросы технологии изготовления и контроля жидкокристаллических ячеек. ОМП, 1975, № 10, с.47-53.

30. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. Мост емкостей Е8-2, Каунасский НИИРТ, г.Каунас, 1975, 55 с.

31. Эме Ф. Диэлектрические измерения. М., Химия, 1967, 223 с.

32. Хиппель А. Диэлектрики и их применение. М.-Л., Госэнерго-издат, 1959, 336 с.

33. Семенов H.A. Техническая электродинамика. М.: Связь, 1973, 480 с.

34. Валитов P.A., Сретенский В.Н. Радиоизмерения на сверхвысоких частотах. М.: Воениздат, 1958, 412 с.

35. Cote. Sv Co-to^H, 7t. QCbpvtu'm aW аЛьоърiion tut ^ibLctrucA.-M. CUtwfTUMi., <SH 9, лМ, ^43. fco^oUhz Miuui-fausie£jl.<£>utAct'Ucxit 'Жг1&-!£оЛ{ои àu the lÎaïueLloJ^^M^ncU 'fol ike A/zmaÙ'e.iTbc^e9 M, Z6, л/3, ¡op 115-11$.44.

36. XintjDело.Ьил.о. Q&pej'ule.nce, of- the. ©¿^¿¿¿¿^¿c шго1 Coi^cUiXsturLtij jbubotuopies. of betrem^ ^JCXC^UACL JUxxivùcMrMoL Obud.хиA Xt'a. (Wè7, л/4, 145. ^2-wiei Conducictni^, ^ejuïùlturùLf, CUzcL ike 6.1и£-zode. Space- Chaise, of л/anatùc ZJmucL

37. Mot. CW. M-icL ^Uf a%udHS7i(, 26 , pp. 45-5?,

38. Сканави Г.И. Физика диэлектриков (область слабых полей), Учебное пособие. Гос.изд. Физ.-мат.лит., 1951, 500 с.

39. Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов (Учебное пособие). М.: Энергоиздат, 1982, 320 с.

40. Брус А., Каули Р. Структурные фазовые переходы. М.: Мир, 1984, 407 с.

41. Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей. Л.: Наука, 1975, 592 с.

42. Дебай П., Закк Г. Теория электрических свойств молекул. -Л.-М.: Гостехиздат, 1936, 144 с.51. 3Undth* QiyudQ^uAAruL Qte&dtid ¿игЖ Jlzmhu-LtujUeciiuiefnenh ыг jlo&m ЦЬтргш-iute л/tmatiQ Jtt&fafi. Mot. 6buU. <cu2oL %i'<p1. Cyst., 1cJ7i, 45, pp r

43. Байса Д.Ф. ,Гаврилко T.A.,Панченко В.Ф.»Пучковекая Г.А., Чеоноков Е.Д. Спектроскопические и диэлектрические исследования фазовых переходов и динамики молекул цетилиодида в конденсированном состоянии. УФЖ, 1979, т.24, с.318-325.

44. SckacLi JU^te.l&ci'uc Some A/ematiadtt'q/uivL Сгц%1а1ь vfitk ¿bicno^Po^ttio-e ^ie.lexiuc.

45. MwUcpj.- скмГР^, mz, щ л/^ррлт-ш.

46. Же^елкр^п.^. cuid §u*Sinarid; &Uotbcky<pbu)cUn&--nttC ¿¡t&icJbi&tizi ¿vi a/¿mtO-tie. %t'cpxuLыг ¿Lour-^етг-ел-гсу ^i-tl&Ltt J-ppt, J hut.1. О, pp.537-339.55. &otomey ЯЬ<^сгта1тг dz ¿'J^ntnu/ii

47. JliolictcuiLze. tl ^ciimatcon <о1ел n Chzi/bonz"dents cut ^¿matia^ue я 45L56. a. Mewncsub А. Spuny ел Я. Ш. mudL £>ъ>и~се.Я.Т.

48. Ъ Wb^ace ojzoL J&otlA (Р^оршНо,^ cjL Ахох.цсиъ1бо~

49. U. -Jdoi. Cyti, jt^. CupL, d) ЪоъаА M. ¿uzcL 5zki S. Wud Cap£Lc.itya/- (o- yLydsLoxy -p> JU^Iwxyboj^^'tLeUA'LZ.J- p

50. Jb uiyJ^M'Utii've.: Jf 'ifj4/&iri<aiic ^Lit^iuol £3, л/3-4у pp. 2.99 -3 2?.57,а. 3оге^к. <ПиАМО-ОрШ ¿п ЛЛпКъйь

51. Ско^и^с МС*иии г -Ч. Лрр£> Тку* Кл/7 рр. ъогг-ъог.5.б) Труфанов А.Н., Блинов Л.М. ,Барник М.И. Новый вид высокочастотной электрогидродинамической неустойчивости в нематичес-ких жидких кристаллах. ЖЭТФ, 1980, 78, № 2, с.622-631.