Вязко-упругие свойства лиотропного нематика в системе дисульфоиндантрон-вода тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

гс?$ФарсМенный комитет российской федерации

высшему образованию

^йсковская государственная академия приборостроения и информатики

На правах рукописи удк 532.783

ГОЛОВАНОВ АНДРЕЙ ВЛАДИСЛАВОВИЧ

ВЯЗКО-УПРУГИЕ СВОЙСТВА. ЛИОТРОПИОГО НЕМАТИКА В СИСТЕМЕ ДИСУЛЬФОИНДАНТРОН - ВОДА

01.04.14 - Теплофизика и молекулярная физика.

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 1996

Зоти выполнена в ГОСУДАРСТВЕННОМ НАУЧНОМ ЦЕНТРЕ ССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ "НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ 1СТИТУТ ОРГАНИЧЕСКИХ ПОЛУПРОДУКТОВ иКРАСИТЕЛЕЙ"

умные руководители: доктор физико-математических наук,

профессор Сонин А. С., кандидат физико-математических наук . Казначеев А. В.

»ициальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Геворкян Э. В.,

кандидат физико-математических наук Пожидасв Е. П.

зущая организация: физический факультет Московского

. Государственного Университета им. М. В. Ломоносова

- - - - /л —

Защита состоится "¿3 " окт^Е^Д 1996 года в часов на заседании

гциализированного совета К 063. 93. 02 при Московской Государственной

адемии Приборостроения и Информатики по адресу: 107076, Москва,

Стромынка, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГАПИ. Автореферат разослан "_"_19%г.

емып секретарь специализированного совета .

индат физпко-математ ¡чески.х наук :

1 Баландин В. А.

ОШЦЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность гемм. Исследования последних десятилетий показали, что гомезофазы красителем и лекарственных веществ образуют новый тип изоморфизма - хромоннческин, который составляет одну из подгрупп каламитикн ) лиофонных жидких кристаллов. Стало ясно, что он имеет эямое отношение к действию лекарственных препаратов и к процессу )ашения. Были найдены н технические применения этих мезофаз, в 1CTHOCTH d оптоэлектронике. Все это стимулировало поиск новых )омонических систем^ изучение их физнко - хттческйх'спойств.

Одним из таких веществ, синтезированных в последние годы, оказался эаситель дисульфоиндантрон ( DSI ) растворимый в воде и образующий эомонические мезофазы. Нематичсская мезофаза данного красителя. зляется удобной модельной системой для изучения особенностей поведения п к о - упругих свойств этого класса лиотропных каламитиков.

Цель работы. Целью диссертационной работы является изучение вязко -гтругих свойств хромонического нематмха в системе дисульфоиндантрон -ода, и гидродинамических нестабнльностей возникающих в нем.

Научная новизна. В процессе выполнения данной работы были олучены следующие новые результаты:

1. Изучены концентрационные зависимости константы упругости К22. ращателыгои вязкости у, и параметра порядка S.

2. Изучены температурные зависимости константы упругости К22, рашатсльнои вязкости и параметра порядка S.

3. Изучен процесс возникновения магнитогидродинамических

МГД ) доменов. Измерена зависимость критического поля

оменообразопания or угла между начальным направлением директора н управлением магнитного поля.

4. Впервые наблюдалась доменная структура при переориентации .нректора из иллнарнон гекстуры в гомеофопную без воздействия внешних

поле!!, вызванная обратным потоком. Измерена зависимость периода доменов от толщины нематпчеек<лго образца.

Защищаемые положения. • • — - - - -

1. Концентрационные и температурные зависимости вязко - упругих параметров имеют особенности которые определяются изменением упорядочения структурных элементов - колонок и изменением их размеров.

2. Процессы переориентации лиотропного нематика возникающие под действием магнитного поля или границ сопровождаются возникновением периодических структур, ~ особенности-- которых "обусловлены большой вращательной вязкостно системы.

Практическая ценность работы заключается в следующем.

1. Изученный хромонический нематик является модельной системой и найденные концентрационные и температурные зависимости вязко - упругих параметров позволяют прогнозировать свойства красителей, используемых в промышленности для создания светофильтров и поляроидов.

2. Изученные гидродинамические нестабильности и их свойства позволяют дальше развивать теоретические модели описывающие гидродинамику нематиков.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на II Международной конференции по лиотропным жидким "кристаллам ( Иваново - 1993 ), XV Международной конференции по жидким кристаллам ( Венгрия, Будапешт - 1994 ), Международном симпозиуме " II Чнстяковские чтения " ( Микро - и макроструктура лнотропных жидких кристаллов } ( Иваново - 1995 ), Международном симпозиуме" Поверхностные эффекты в жидких кристаллах " ( Белые ночи) (С. - Петербург - 1995 ).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, одна работа находится в печати.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, грех глав, заключения, и списка цитируемой литературы. Работа содержит 125

страннц машинописного текста, включая 40 рисунков, 3 фотографии, 2 таблицы и список литературы из ! 50 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы и основные положения выносимые на защиту, показана новизна научных результатов и практическая ценность выполненой работы.

Глава I. Основные сведения о лиотропных хромоничеоовгнематиках:

В § 1 рассматриваются континуальная и молекулярная теории нематических жидких кристаллов на основе которых интерпретируются результаты исследования изучаемого хромонического нематика.

§ 2 посвящен описанию нематических хромонических мезофаз: процессу агрегирования молекул красителей, физическим свойствам и гидродинамическим неустойчивостям, возникающим в них при воздействии внешних полей.

В § 3 приведен краткий обзор теорий описывающих нематическое упорядочение в лиотропных системах^ теории Онсагера, Флори. Здесь же рассматривается процесс упорядочения в свете проблемы полидисперсности и полиэлектролитичности лионематиков. На основе анализа литературы формулируются задачи исследования хромонического нематика в системе дисульфоиндантрон - вода.

Глава 2. Методика исследования.

В § 1 представлена характеристика исследуемой системы - приведена структурная формула вещества и фазовая диаграмма системы. Описано приготовление образцов.

Исследуемые образцы представляют собой плоские стеклянные капилляры - ячейки, заполненные нематиком и запаянные по периметру воском для предотвращения испарения воды. Толщина ячеек -задавалась

фторопластовой пленкой, помещаемой между двумя стеклами, и определялась перед заполнением нем атака по интерференционной методике.

Планарная ориентация нематических слоев достигалась предварительной обработкой стекол ячейки ПАК - лаком с последующей двухстадийной термообработкой ( удаление растворителя при 150 °С и полимеризация ПАК - лака при 250 °С ) и натиркой, обработанных таким образом стекол, па натирочной машине. Гомеотропная ориентация нематических слоев достигалась предварительным вытягиванием стекол из раствора ацетнлцелгаолозы и высушиванием их при 160 °С. Качество планарной и гомеотропной ориентации нематических слоев контролировалось с помошыо поляризационного микроскопа.

§ 2 посвящен описанию экспериментальной установки для определения вязко - упругих материальных констант исследуемой системы.

Хромоническая нематическая мезофаза в системе дисульфоиндантрон -вода обладает большим поглощением, поэтому в .основу методики определения вязко - упругих констант был положен эффект изменения поглощения, света определенной поляризации в образцах, помещаемых в магнитное поле. Так как для данного неиатика величина анизотропии диамагнитной восприимчивости отрицательна ( Ха < 0 ), то магнитное поле прикладывалось вдоль первоначального направления" директора "Я, совпадающего с плоскостью поляризации падающего излучения, что соответствовало минимуму поглощения в начальный период времени. Приводится схема установки для изучения констант упругости К;2 и К33, вращательной вязкости у,.

В § 3 рассматривается математический аппарат, описывающий переход Фредерикса и процесс релаксации, который используется для интерпретации ■экспериментальных данных.

-7В экспериментах по определению вязко - упругих констант нематика регистрируется изменение оптической плотности AD образцов при переориентации директора

■ AD = In J2-, ( I )

н

где 10 - начальная интенсивность света прошедшего невозмущенный образец, 1Н - интенсивность света прошедшего возмущенный магнитным полем образец. __ Изменение ориентации директора приводит к. изменению поглощения света слоем нематика

Дк ( z) = (ki - к„) sin: 0, ( 2 )

где kj. и кц - коэффициенты поглощения в направлении перпендикулярном и параллельном директору, соответственно, © - угол отклонения директора от первоначальной ориентации, z - координата вдоль которой происходит изменение угла ориентации. Изменение поглощения слоя нематика, при малых углах деформации директора ( © « 1 ), приводит к изменению оптической плотности образца, связанной линейной зависимостью с величиной прикладываемого магнитного поля

. 4D = 2d l), (3)

................ ' - .и

где d - толщина образца, Нс = я( К*/ I х » I ) / d - критическое поле Фредерикса при бесконечно сильной энергии сцепления нематика с подложками, К^ - константа упругости кручения ( i = 2 ), или константа упругости продольного изгиба ( i = 3 У Экстраполяция экспериментальных зависимостей AD ( Н ) к нулю позволяет определить критические поля «фредерикса Hp для образцов различной толщины.

Если энергия сцепления нематика с подложками находится в пределах О < W < оо, то изменение величины у = HF х d с изменением толщины описывается трансцендентным уравнением с

-8$ У я У , , ................ <4)

где = л К,, / V/ - характерная длина задачи, определяющая влияние твфдой поверхности на ориентацию нематика в пристеночной области, у0 = Нс х (1 = я( Кц /1 % а 1 У^ • Обработка экспериментальных данных позволяет определить величины у0 и По найденным значениям этих величин можно расчитать Ки/) ха| и V/.

Изменение оптической плотности образца,-подвергнутого деформации кручения, в процессе релаксации директора к исходной ориентации описывается уравнением

АО = АОтах ехр {-ПН }, (5)

где ДОтах - начальное ( максимальное ) изменение оптической плотности, х - время релаксации, определяемое выражением

; (6)

где У) вращательная вязкость нематика. Обработка экспериментальной зависимости Ип. ДО / АОтах 1( Г) позволяет определить время релаксации, а .использование ( б ) - определить отношение у, /К^. Зная отношение К^ /1 % а I. можно определить величину отношения у, /I ха I

§ 4 посвящен описанию метода определения скалярного параметра порядка Б.

Для определения значении параметра порядка испошзовалась оптическая часть экспериментальной установки, описанной в § 2. В экспериментах измеряется интенсивность света, прошедшего планарно ориентированный слой нематика, в двух случаях: а) директор п совпадает с плоскостью поляризации линейно поляризованного света; б) директор перпендикулярен плоскости поляризации света. Оптическая плотность образца нематика для случаев а) и б) определяется по формуле

-90,11Г = 1п(Г0/1!1,1), (7)

где 'Эц/1 - оптическая плотность образца измеренная в направлении параллельном и перпендикулярном директору, соответственно. 10 - начальная интенсивность света нормально падающего на образец, 1ц ¡_ - интенсивность света прошедшего- образец . при условии параллельности и перпендикулярности плоскости поляризации директору, соответственно.

Из экспериментальных данных расчитывается скалярный параметр порядка по формуле

8=2(01>0|)/(01| + 201). (8) В § 5 описывается методика исследования магнитогидродинамических доменов.

Приводится схема установки, . .позволяющая визуально определять период доменной структуры от величины приложенного магнитного поля. Экспериментальные данные по этим величинам позволяют определить зависимость q ( Ь ) безразмерного волнового вектора от безразмерного магнитного поля, которая имеет вид многочлена второй степени

= + + + |), (9)

где II = Н / Нс, q = с^с! / я, К = К33 / К22, П = ЛI I Лг> а = «221У1Л2 и Лг = 1/2 а4, Л| = 1/2 (а4 + а, - а^); с^, а4, сц - коэффшщекты вязкости Лесли.

Обработка экспериментальной зависимости 4 ( 11 ) по методу наименьших квадратов позволяет определить безразмерные коэффициенты в уравнении ( 9 ). Результаты вычисления позволяют оценить значения отношений: коэффициентов вязкости Месовича г), / г|2, вязкостей а,2 /у,Л2 и констант упругости К33 / К,г. • ■

В § 6 проведен анализ погрешностей при определении вязких и упругих постоянных изучаемого нематика, которые суммированы в нижеследующей таблице.

-10-

Нзмеренные величины Относительная погрешность измерения, с % ------ —

11

15

Б 16

К 12

л, а ю

Глава 3. Экспериментальные результаты и их обсуждение.

В § 1 рассматривается задача о переходе Фредерикса в деформации кручения при условии конечности энергии сцепления нематика с границами. Показывается, что при условии 0 < < оо величина у = НР х <1 в зависимости от <1 описывается уравнением ( 4). Функция у (<1) стремиться к значению у0 = Нсх с! при \\/ оо.

При концентрации дисульфоиндантрона 6,7 масс. % и температуре 23 °С для различных толщин образцов был исследован переход Фредерикса при деформации кручения в полях Н > НР. Было установлено, что при толщинах (I * 4(Хмкм величина у = Нг х <1 не зависит от толщины образцов, а функция у ( с! ) выходит на насыщение, то есть у « у0. Это свидетельствует, что для исследованных образцов сцепление нематика с поверхностью стекол, обработанных ПАК - лаком, является сильным.

Эксперименты по определению времени релаксации нематика для образцов разной толщины показали, что линейная зависимость х ( с12 ) для данного нематика выполняется и этот (¡¡акт позволяет, при известной величине отношения ха1. определить величину отношения у, /I % л I.

На основании полученных результатов можно сделать два вывода: во -первых, женеримегпальные зависимости удовлетворительно интерпретируются в терминах континуальной теории, а во - вторых, го, что

величина у = НР * с! =» л< К1Г/ 1х а I ) 1 и т ~ с1:, позволяет, на образцах толщиной свыше 10 мкм, использовать эти равенства для определения зависимости величин К.22/1 X»I и У| /1 х»I от концентрации и температуры.

В § 2 изучены зависимости вязко - упругих постоянных и параметра порядка от концентрации. Было установлено, что при температуре 19 °С нематическая мезофаза существует в интервале концентраций 4,2 - 8 масс. %. Из экспериментов по- определению зависимости критических полей Фредерикеа отконцептрации была получена-зависимость- К22 / IX а I ( С )-. На рис. 1 представлен график этой зависимости. Как видно из рисунка эта зависимость имеет немонотонный вид - в пределах нематической фазы на

.■ '.Кд/! 1Ж дня

4

■ • ■___■ ■ ■__ I

4 5 6 7 С, масс. %

Рисунок I. Концентрационная зависимость отношения / IX, I.

графике кривой К22 / IX „I ( С ) имеются четко выраженные точки максимума и минимума.

Из экспериментов по определению времени релаксации от концентрации была получена зависимость, с использованием зависимостей К:1 / I X „ I ( С ) и у, / К.:г ( С ), отношения У| /1X „ I от концентрации. На рис. 2

6

-4

5

6

7 С, масс. */а

Рисунок 2. Концентрационная зависимость отношения у, /1X а I.

продемонстрирован график этой зависимости. Как видно эта зависимосл имеет тот же характер, что и зависимость К22 / IX „ I (С).

Зависимость параметра порядка Б от концентрации определялась из экспериментов по исследованию дихроизма поглощения в зависимости от концентрации. Было установлено, что оптическая плотность Оц меньше чем О а.. Очевидно, с точки зрения теории поглощения света, что поглощающий осциллятор структурного элемента системы - колонки молекул, расположен перпендикулярно к директору и лежит в плоскости молекул дисульфоиндантрона. На рис. 3 представлена зависимость параметра ' порядка от концентрации. Видно, что эта зависимость не имеет тех аномалий, которые присущи зависимостям вязких и упругих постоянных щ концентрации.

Гомсогропные немагические слои, получаемые в результате обработки ггскол капилляров ацстйлцаиполозой, "были использованы для определения отношения К.,, /1 при фиксированных концентрации ( 4,9 масс. %) и

8

0,4

<и

5

6

7 С, масс.%

Рисунок 3. Зависимость параметра порядка Б от концентрации С дисульф оиндантрона.

температуре ( -19 -?С ). Это позволило определить отношение констант упругости, которое оказалось равным К33 / К22 = 10,6.

Таким образом необходимо отметить тот факт, что изменение вязко -упругих параметров изучаемого нематика не связано с изменением параметра порядка, если предпологать, что й ~ IX 4 I. ТТо видимому, с изменением концентрации происходит изменение размеров колонок, что обуславливает, в свою очередь, изменение энергии взаимодействия структурных элементов системы.

В § 3 представлены результаты исследования вязко - упругих материальных констант и параметра порядка системы от температуры.

□

а

□

□

о

I_I_

_I_I

Исследования проводились при концентрации 7,3 масс. %. Было установлено, что интервал-температур в котором существует нем этическая мезофаза составляет 15 - 45 °С. ~

Температурная зависимость отношениия К22 / I X а I, расчитанная из данных по величинам критических полей Фредерикса, представлена на рис. 4. Эта зависимость типична для лионематиков. Обращает на себя внимание точка перегиба кривой в районе 35 °С.

Рисунок 4. Температурная зависимость отношения К^ / IX а I.

Для определения зависимости параметра порядка от температуры были измерены температурные зависимости коэффициентов поглощения ( кь кц). Было показано, что оба этих коэффициента возрастают с ростом температуры. Этот факт свидетельствует об увеличении оптической силы поглощающих осцилляторов, что указывает на процесс разагрегирования структурных элементов нематической мезофазы. На рис. 5 представлена зависимость параметра порядка .от температуры. Хорошо видно типичное поведение,»параметра порядка, начиная с температуры в 35 °С, до перехода в двухфазную область ( интервал температур 45 - 50 °С ), и не типичное

юведение в интервале температур 15-35 °С, где параметр порядка очень лабо зависит от температуры.

Было проведено прямое сопоставление величин К22 / I X а |и Б. Установлено, что существуют два интервала температур где К,2 тропорциональна Б2 ( с условием, что Б ~ IX „ Г), это согласуется с теорией Манера - Эаупе. Однако из - за наличия точки излома ( » 35 °С ) условие тропорциональности между константой упругости К22 и параметром торядка Б в целом не выполняется.

Таким образом, нельзя утверждать, следуя обычным для термотропных _ ¡ематиков рассуждениям, что определяющим в поведении константы упругости К22 с ростом температуры, для данной системы, является только изменение степени упорядочения. Немаловажную роль в температурном товедении константы упругости и параметра порядка играет процесс вменения размеров структурных элементов.

На основании данных измерения времен релаксации в зависимости» от температуры, с учетом зависимости К.22 / I X а I ( Т ), было изучено

температурное поведение величины у, /1 х „I. Эта зависимость приведена и; рис. 6, она типична для лионематиков. На основе этих данных был. построена

Рисунок 6. Зависимость отношения у,/ | 2Са1 от температуры.

зависимость величины In ( у, / |х , I) от обратной температуры 1 / Т, чте позволило определить величину энергии активации для данного нематика -Оказалось, что величина энергии активации зависит от температуры - на графике кривой 1п(у(/|хв|)(1/Т) существуют две области с различной энергией активации ( Е, = 1,77 эВ и Ej = 0,88 эВ ). Этот факт также указывает на структурные изменения происходящие в нематической мезофазе rrpF изменении температуры. Знач1ггельные величины энергии активации, пс сравнению с термотропными нсматиками, по видимом, связаны сс значительными размерами структурных элементов ( к примеру, величина

о

колонок в изотропной фазе составляет * 800 А ).

. Полученные данные свидетельствуют, что вязко - упругие свойства исследуемой системы имеют целый ряд особенностей по сравнению сс свойствами термотропных нематиков. Эти особенности обусловлены, пс

видимому, тем обстоятельством, что наряду с изменением упорядоченности системы происходит изменение размеров структурных элементов по мере изменения концентрации и температуры.

Результаты исследования доменных структур и их анализ представлены в §4.

Были изучены два вида гидродинамических неустойчивостей -магнитогидродинамические домены, возникающие в нематике в магнитных полях выше порога Фредерикса для деформации кручения и спонтанные домены, - возникающие- в -образцах нематика при "переориентации ~из планарной текстуры в гомеотропную без воздействия внешних полей.

При резком включении магнитного поля, направленного вдоль директора планарно ориентированного образца, значения которого превышают критическое поле Фредерикса для деформации ¡гхручения, наблюдались доменные структуры волновой вектор которых совпадал с первоначальным направлением директора ( фото. 1 ). Постановка и решение, в линейном приближении, задачи о возникновении таких доменов при условии жесткой связи нематика на границах ( -> оо ), приводит к уравнению ( 9 ). Анализ ( 9 ) позволяет: определить критическое поле доменообразования - Ь = ( 1 + К / а )'Л, при резком достижении которого в слое нематика формируется доменная структура. ---

Фото I.

Из экспериментов ( проводимых при температуре 23 °С ) по определена периода доменов в зависимости от величины прикладываемого поля, дл образцов нематика различной толщины, была получена зависимость q ( Ь величины безразмерного волнового вектора доменной структуры о величины безразмерного магнитного поля. На рис. 7 продемонстрирован эта зависимость. Видно, что экспериментальные точки группируются возл универсальном кривой вида ( 9 ). Обработка экспериментальных данны позволила получить величину отношения К33 / К22 = 12,2. Что по порядк величины совпадает с ранее полученным ( § 2 ).

Рисунок 7. Зависимость квадрата безразмерного волнового вектора ч от квадрата величины безразмерного магнитного поля Ь дш образцов различной толщины (I: 145,7; 114,4; 33,3 мкм Сплошная кривая - график функции ( 9 ) при К = 12,2 а = 7,7, л = 7.9.

Было устаровлсно, что МГД - неустойчивость возникает и в том случае, когда магнитное иоле направлено под произвольным углом" ~к первоначальному направлению директора, оставаясь с ним в плоскости слоя немапгка. В этом случае критическое поле доменообразования зависит от угла между полем и директором. На рис. 8 продемонстрирована экспериментальная зависимость квадрата критического поля доменообразования 1Г2 от угла р между начальным направлением директора и направлением поля.

Рисунок 8. Зависимость квадрата критического поля доменообразования Ь*2 от угла [} между начальным направлением директора и направлением поля.

Существует критический угол ( я» 25° ) между начальным направлением директора и полем при привышении которого, переориентация нематика происходит однородно - без образования неустойчивости. Так же было установлено, что волновой вектор доменной структуры, возникающей в полях произвольной ориентации, не совпадает с первоначальным направлением директора. Величина угла между волновым вектором и

направлением поля превышает значения угла ориентации магнитного поля по отношению к первоначальному направлению директора, рис. 9.

Рисунок 9. Зависимость угла 5 между волновым вектором и полем от угла р между невозмущенной ориентацией директора и полем.

При исследовании процессов ориентации в ячейках ( при температуре 20 °С ), стекла которых были обработаны ацетилцеллюлозой, наблюдались периодические структуры, возникающие при переориентации нематических слоев Из пленарного состояния в гомеотропное без воздействия внешних полей. На фото. 2 продемонстрирована такая доменная структура.

Волновой вектор таких доменов, в отличие от МГД - доменов, перпендикулярен первоначальному направлению" директора. Период возникающих доменных структур пропорционален толщине образцов с коэффициентом пропорциональности порядка единицы, рис. 10.

Рисунок 10. Зависимость периода р доменов от толщины слоя (1.

эыло обнаружено явление " осцилляции " доменных структур - процесс тоявления - исчезновения доменов за все время их существования.

Для выяснения природы наблюдаемой ориентационной неустойчивости >ыли проведены размерные оценки. Так как р = кхс1, ариё имеют »динаковую размерность,, то коэффициент пропорциональности к -»езразмерная величина, которая должна зависеть от параметров нематика К - констант ущ>угостн, а - вязкости и р - плотности ) и кроме того от □аимодействия нематика с поверхностью, которое определяется энергией цепления \\Л Представим к в виде

к = \\^К.-Уагрч,

де х, у, г, ц - неизвестные показатели степеней. Из теории размерностей юлучаем: х = 0, у = я, г = то есть

.......... .....-

Из формулы ( 10 ) следует, что к, а следовательно и наблюдаемое явление не связано непосредственно с величиной энергии сцепления \У. Кроме того, г уравнение ( 10 ) входит плотность р, что указывает на важную рол! инерционного члена.

Рассмотрим в первом приближении процесс переориентации под действием границ. В начальный момент времени 1 = 0 течений нет ( V = 0 )

угод Э отклонения директора от плоскости слоя равен нулю. Состояние с 0 = С является энергетически невыгодным, так как поверхностная энергия имее! минимум при 6 = тс/2 ( поверхность стремиться создать гомеотропнук ориентацию ). Запишем, линеаризованные уравнения движения директора \ центров масс в безразмерной форме

д1~ дъ1~ дЪ

(П

где 1 = И х0, 2 = г / й, а = а32 / у,ть у = V Iул, ха = у1йг / К,, - характерно» время задачи, V, = Ки / а3с1 - характерная скорость задачи Л = 1/2 ( а3 + а4 + сц ) - коэффициент вязкости, ё - толщина образца Линеаризованные граничные условия имеют вид

А а

¿-±^/0 = 0, при г = ± 1/2, (12

где = / Кп. Задача ( 11 ) - ( 12 ) имеет тривиальное решение -0 = 0] V = 0. Однако, это решение, соответствующее начальным условия» оказывается неустойчивым. Малые возмущения, удовлетворяющие систем уравнений (11) имеют вид

0 = 0о сЬ схр {вГ)

( П)

у з^вьс^х охр {в?}. Тодставляя ( 13 ) а ( 11 ), из условия нетривиалыюсти решения (то есть 90 ф О, ■0 0 ) получаем

и

з^т5*-. (14)

1-а

величина находится из граничных условий ( 12 ) и удовлетворяет ^авншшо__________________________________ ___________

Ч. Л = №. (15 )

'ешение уравнения ( 15) существует при любых V/ > 0.

Таким образом, процесс переориентации под действием границ опровождается возникновением течений в плоскости переориентации. Тричем, наибольшие значения скорости и углов ориентации, согласно ( 13 ), [остигаются на границах слоя. При этом планарный слой нематика ¡ереходит в устойчивое гомеотропное состояние (6 = я/2, V = 0 ).

Для тфмотропных нематиков вязкость заключена в пределах 0 < а < I, гоэтому"переориентация с участием течений для них развивается наиболее (ыстгро. Остается неясным только почему такие доменные структуры в них не тблюдаются. Далее, безразмерный параметр ( 10 ) для типичных ермотропных нематиков имеет порядок 10"6 - 10"4. Следовательно, период деменов должен быть во много раз меньше толщины слоя, в то время как для денного нематика они совпадают по порядку величины. Возможно, это вязано с отличиями лиотропных систем от термотропных жидких гристаллов. Одно из таких существенных отличий заключается в „том, что (язкости лиотропных нематиков на два порядка могут превышать их течения в термотропных нематиках.

-24-"

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Проведены исследования переориентации под воздействием магнитного поля лиотропного хромонического нематнка в системе дисульфоиндантрон - вода и изучен процесс релаксации при различных концентрациях DSI. Установлено, что отношения К22 / I Ха I и у, / |ха |в зависимости от концентрации ведут себя немонотонно - на графиках этих зависимостей существует по одному максимуму и минимуму. Параметр

—порядка-S- в -предеяах-нематической-фазьг не изменяется- при изменении концентрации. Измерено отношение К33 / i Х^ |при концентрации DSI

4,9 масс. % и температуре 19 °С, установлено, что отношение константы упругости продольного изгиба к константе упругости кручения K3Î / К22= 10,6.

2. Измерены температурные зависимости отношений К22 /1 xj и у, /1 xj и параметра порядка S. Установлено, что отношение К22 / I Ха ! изменяется монотонно при изменении температуры, но при подходе к двухфазной области на зависимости К22 t IX» I ( Т ) существует точка перегиба. Температурная зависимость отношения у, /I xj типична для лионематиков. С ростом температуры изменяется энергия активации Еа, что указывает на структурные изменения, происходящие в нематике. Коэффициенты поглощения ( кц, кх ) увеличиваются с ростом температуры, что свидетельствует о раз агрегации структурных элементов - колонок. Параметр порядка S слабо изменяется с ростом температуры до точки соответствующей точке перегиба на графике, температурной зависимости отношения К22 /1 Х„ I, после чего резко уменьшается вплоть до момента перехода в двухфазную область.

3. Проведены исследования МГД - доменов. Полученные результаты

с

свидетельствуют, что: а»~ зависимость волнового вектора доменной

структур!",! от величины магнитного ноля q ( h ) описывается полиномом второй степени, как и предсказывают существующие теоретические модели. Обработка результатов эксперимента позволила получить отношение коэффициентов упругости К33 / К22 = 12,2, что по порядку величины совпадает "с этим же отношением, полученным при нследовании вязко -упругих постоянных; б) в магнитном поле произвольной ориентации критическое поле доменообразования зависит от угла между начальным направлением директора и направлением магнитного поля. Существует критический угол-(-»-259- ) между начальными направление&г-директора ir направлением магнитного поля при привышении которого процесс переориентации происходит однородно, без образования доменов; в) в магнитном поле произвольной ориентации волновой вектор, возникающей доменной структуры, повернут на некоторый угол относителы.з начального направления директора.

4. Проведены исследования доменной структуры возшпсающей при переориентации нематика в гомеотропное состояние без воздействия внешних полей и вызванной обратным потоком. Установлено, что волновой вектор этой структуры не совпадает с начальным направлением директора и образует с ним угол в 90°. Период доменов пропорционален толщине образца с коэффициентом пропорциональности порядка единицы. Обнаружено явление " осцилляций " доменной структуры, заключающееся в процессе появления - исчезновения доменов за весь период их существования.

Основные результат!,i диссертации опубликованы в следующих печатных работах:

1. Golovanov Л. У., Kaznaeheev Л. V., Sonin Л. S. Visco - elastic properties of a lyotropic chromonic nematic.// Mol. Mat. 1993. V.3. P.147.

2. Голованов Л. В., Казначеев Л. В., Сонин А. С. Вязко - упругие свойства лиотроиного хромоническош нематнка. // II Международная конференция но лнотропным жидким кристаллам. Тезисы докладов. Иваново, 1993. С. 17.

3. Голованов Л. В., Казначеев Л. В., Сонин А. С. Гидродинамическая «устойчивость » магнитном поле произвольной ориентации. // II Международная конференция по лиотропным жидким кристаллам. Тезисы [окладов. Иваново, 1993. С. 28.

4. Голованов А. В., Сонин А. С. Температурные зависимости констант пругости К;- и вращательной вязкости 7, в системе лиомезофазы красителя (исулъфоиндантрона. // II Международная конференция по лиотропным ищким кристаллам. Тезисы докладов. Иваново, 1993. С. 29.

—-S-Golovanov.A. 3/.,_Kaznadiecv_A-.3/\ Magnetohydrodynamic instability_m yotropic liquid crystal. If 15 - th International liquid crystals conference. Abstracts. Budapest, 1994. V. 1. P. 365.

6. Golovanov A. V., Kamacheev A. V., Sonin A. S. Liotxopic mesomorphism n disulphoindantrone - water system. //15-th International liquid crystals onference. Abstracts. Budapest, 1994. V. 2. P. 577.

7. Голованов А. В., Казначеев А. В., Сонин А. С. Вязко - упругие войства лиотропного колоночного нематика. // Изв. РАН ( Сер. физ. ). 1995. \ 59. № 3. С. 82.

8. Голованов А. В., Казначеев А. В., Сонин А. С. Температурные ависимости вязко - упругих параметров нематика в системе щсульфоиндантрон - вода. // Изв. РАН (Сер. физ.). 1995. Т. 59. Jst1З.С. 62. .

9. Голованов А. В., Казначеев А. В., Сонин А. С. Концентрационные ависимости вязко - упругих свойств хромонического нематика. // Изв. РАН Сер. физ. ). 1996. Т. 60. № 4. С. 43.

10. Голованов А. В., Казначеев А. В., Сонин А. С. Ориентационная ^устойчивость лиотропного нематика при течении. // Кристаллография. 997. ( В печати ).