Ультразвук и динамические процессы при фазовых переходах и структурных превращениях в ориентированных жидких кристаллах

ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Ультразвук и динамические процессы при фазовых переходах и структурных превращениях в ориентированных жидких кристаллах (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Содержание

Глава 1. КРИТИЧЕСКАЯ ДИНАМИКА ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА НЕМАТИК — ИЗОТРОПНАЯ ЖИДКОСТ
- 1. 1. Методические особенности измерения анизотропных акустических параметров жидких кристаллов в области полимезоморфных превращений
- 1. 2. Динамические процессы и акустические параметры в окрестности температуры просветления
  - 1. 2. 1. Коэффициент поглощения и скорость ультразвука при немати-ко — изотропном переходе
    - 1. 2. 1. 1. Соединения с широким интервалом существования немати-ческой фазы
    - 1. 2. 1. 2. Мезогенные соединения с узким интервалом существования нематической фазы
  - 1. 2. 2. Критическая динамика N -1 перехода
    - 1. 2. 2. 1. Предпереходные аномалии в изотропной фазе
    - 1. 2. 2. 2. Влияние N -1 перехода на коэффициент поглощения и скорость ультразвука в нематической фазе
- 1. 3. Параметры угловых зависимостей коэффициента поглощения и скорости ультразвука в нематической фазе
  - 1. 3. 1. Угловая зависимость коэффициента поглощения ультразвука и диссипативные параметры нематика
  - 1. 3. 2. Параметры угловой зависимости скорости ультразвука и релаксационные процессы в нематиках
Глава 2. ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ОКРЕСТНОСТИ ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА НЕМАТИК — СМЕКТИК А
- 2. 1. Акустические параметры нематической фазы в окрестности фазового перехода нематик-смектик А
  - 2. 1. 1. Температурно- частотные зависимости коэффициента поглощения и скорости ультразвука
- 2. 2. Анизотропный характер скорости у-льтразву-ка при фазовом переходе нематик — смектик А
  - 2. 2. 1. Анизотропия скорости ультразвука в окрестности 1 мД
  - 2. 2. 2. Параметры угловой зависимости анизотропии скорости ультразвука при фазовом переходе нематик-смектик А
- 2. 3. Влияние критических процессов на анизотропию поглощения ультразвука
Глава 3. АНИЗОТРОПНОЕ РАСПРОСТРАНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА ПРИ ФАЗОВОМ ПЕРЕХОДЕ ВТОРОГО РОДА СМЕКТИК, А -СМЕКТИК С
- 3. 1. Особенности критической динамики фазового перехода смектик, А — смектик С
- 3. 2. Анизотропная скорость ультразвука и аномалии упругих модулей в области фазового перехода смектик, А — смектик С
- 3. 3. Особенности критических аномалий анизотропного поглощения ультразвука при фазовом переходе смектик, А — смектик С
Глава 4. ОСОБЕННОСТИ КРИТИЧЕСКОИ ДИНАМИКИ В СИСТЕМЕ С МУЛЬТИКРИТИЧЕСКОЙ ТОЧКОЙ НЕМАТИК-СМЕКТИК, А — СМЕКТИК С
- 4. 1. Акустические параметры в окрестности температуры просветления при изменяющемся температурном интервале существования нематической фазы
- 4. 2. Скорость и коэффициент поглощения ультразвука на линии переходов в смектические фазы
- 4. 3. Анизотропия поглощения ультразвука при фазовых переходах из нематической в смектические С и, А фазы
- 4. 4. Акустические параметры смектической С фазы
Глава 5. УЛЬТРАЗВУК И СТРУКТУРНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ В СМЕКТИКАХ С, ВЫЗВАННЫЕ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ
- 5. 1. Изменения акустических параметров при переориентации смек-тической С фазы
  - 5. 1. 1. Угловые зависимости коэффициента поглощения ультразвука во вращающемся магнитном поле
  - 5. 1. 2. Анизотропия скорости и коэффициента поглощения ультразвукам смектической С фазе в статическом магнитном поле
- 5. 2. Бистабильность и гистерезис акустических параметров в смектической С фазе
- 5. 3. Акустические исследования смектической С фазы при вариации слоевой структуры
  - 5. 3. 1. Индукционные зависимости коэффициента поглощения ультразвука в смектической С фазе
  - 5. 3. 2. Ориентационные зависимости поглощения ультразвука в смектиках С с различающейся слоевой структурой
Глава 6. ОСОБЕННОСТИ ПОВЕДЕНИЯ ОРИЕНТАЦИОННОЙ СТРУКТУРЫ СМЕКТИКА С В ИЗМЕНЯЮЩИХСЯ МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ
- 6. 1. Модельные представления о воздействии магнитного поля на смектическую С фазу
- 6. 2. Индуцированные магнитным полем изменения ориентационной структуры смектика С в случае аксиальной симметрии
  - 6. 2. 1. Влияние на ориентационную структуру смектика С сильного магнитного поля
    - 6. 2. 1. 1. Изменения ориентационной структуры и коэффициента поглощения ультразвука в области моностабильности
    - 6. 2. 1. 2. Особенности акустического отклика смектика С в области бистабильности
  - 6. 2. 2. Вариации ориентационной структуры смектика С и коэффициента поглощения ультразвука в слабых магнитных полях
- 6. 3. Ориентационная структура смектической С фазы при отсутствии аксиальной симметрии
  - 6. 3. 1. Изменения структуры смектика С в слабом магнитном поле нормальной ориентации
  - 6. 3. 2. Изменения ориентационной структуры при вращении магнитного поля в плоскости смектических слоев
    - 6. 3. 2. 1. Динамика ориентационной структуры и коэффициент поглощения ультразвука при вращении поля большой напряженности
    - 6. 3. 2. 2. Влияние бистабильности на динамический отклик смектика С во вращающемся магнитном поле
  - 6. 3. 3. Поведение смектика С при вращении магнитного поля в плоскости, ортогональной смектическим слоям
    - 6. 3. 3. 1. Динамический отклик идеального смектика С на вращающееся поле умеренной напряженности
    - 6. 3. 3. 2. Влияние типа слоевой структуры на переориентацию смектика С во вращающемся магнитном поле
Глава 7. УЛЬТРАЗВУК И ДИНАМИКА ИЗМЕНЕНИЙ ОРИЕНТАЦИОННОЙ СТРУКТУРЫ НЕМАТИКА В ОКРЕСТНОСТИ ПЕРЕХОДА ФРЕДЕРИКСА
- 7. 1. Методика исследования динамики изменений ориентационной структуры при комбинированном воздействии электрического, магнитного и акустического полей
- 7. 2. Теоретические представления о релаксации слоя нематического жидкого кристалла
  - 7. 6. 1. Влияние магнитного поля на динамику ориентационной структуры
— б
- 7. 6. 2. Ориентационная релаксация в условиях воздействия электрического и магнитного полей

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 просветления [6,8−15 определенно демонстрируют перспективность использования акустических методов для изучения динамики фазовых переходов в жидкокристаллических соединениях. Тем не менее, даже для нематикоизотропного 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 © 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 типа — 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 получены на основе комплекса акустических исследований смектической С-фазы в магнитных полях, проведенных при вариации условий формирования образцов смектиков С, индукции и направления воздействующего на смектическую фазу магнитного поля, взаимной ориентации волнового вектора относительно вектора индукции магнитного поля, в котором проводилось формирование образца, и.т.д. В главе 5 приводятся результаты экспериментов такого рода, указывающие на необходимость дальнейшего развития модельных представлений о воздействии магнитного поля на структуру смектической С-фазы.

Эта задача решается в 6-й главе диссертации. В предлагаемой модели учитывается ненасыщающий характер воздействия магнитного поля на ориентационную структуру смектика С, который, наряду с учетом искажений слоевой структуры, позволяет объяснить ряд особенностей акустического отклика смектической С-фазы на воздействие магнитных полей.

Последняя глава диссертации посвящена экспериментальным исследованиям динамических изменений ориентационной структуры нема-тиков при комбинированном воздействии электрических и магнитных полей, а также акустических колебаний ультразвукового диапазона частот в условиях вариации термодинамических параметров состояния. Выполненные в последнее время исследования [Г9−201 деформаций ориентации слоя нематика в скрещенных электрических и магнитных полях подтверждают эффективность комбинированного воздействия различных ориентирующих факторов с точки зрения получения новой информации о структурных изменениях в жидких кристаллах. В этой связи несомненный интерес представляет использование в качестве дополнительного ориентирующего фактора ультразвуковых колебаний. Следует отметить, что информация о динамике оптического отклика нематических жидких кристаллов на акустические колебания в условиях дополнительного воздействия электрических и магнитных полей практически полностью отсутствует в научной литературе. Вместе с тем, такие исследования открывают новые перспективы в практическом применении жидких кристаллов не только в устройствах отображения информации, но и высокочувствительных датчиках, предназначенных для регистрации механических колебаний [21, 22 ].

Несомненный интерес представляет также исследование оптического отклика жидкокристаллического слоя на воздействие различных ориентирующих факторов в условиях вариации гидростатического давления. Экспериментальные результаты такого рода, впервые полученные в данных исследованиях, позволяют прогнозировать работу жидкокристаллических устройств в условиях вариации термодинамических Р, Т — параметров состояния. При этом собый интерес для акустои электрооптических исследований представляет область переходов Фредерикса, где следует ожидать максимальной чувствительности ориентационной структуры к возмущающим факторам различного типа.

С учетом довольно разнообразного круга задач, решаемых в данной работе, в качестве объектов исследования выбирались различные жидкокристаллические соединения. Основными критериями при исследовании фазовых переходов являлось наличие необходимого типа полимезо-морфизма, возможность надежного выделения аномальных вкладов в анизотропные акустические параметры, связанных с изучаемым переходом, а также существование достаточно обширной информации, полученной независимыми методами и позволяющей, наряду с данными акустических измерений, сделать обоснованные выводы об особенностях критической динамики при полимезоморфных превращениях в жидких кристаллах. Ниже приведен перечень объектов исследования с указанием химического строения, типа полиморфизма и температур фазовых переходов:

1. Р-п-бутоксибензилиден-п-бутиланилин (БББА): счн90-(~) сцн9 бгМ1К .ВОЛК, £е Г315″, 5К.^ЛЩ. у у.

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

8 П / / *.

6,-ЛШХ. Ос м I.

3 .пбутилоксифениловый эфир п-нонилоксибензойной кислоты (409).

• - <

9УК Ж >сЛ.

Сг .Мб*, 5сЖЕ. 5д ШЗК и 359,9К.

4,п-гексилоксифениловый эфир пдецилоксибензойной кислоты.

6010).

Ч, 0″. .—G00 — -ОС, Н, ю ?1 / / ь '3 fo •- Silk 5з -3/7/Г. 5с SajmiL н.

5 35,6Кt.

5, n-гексилоксифениловый эфир поктилоксибензойной кислоты.

608) г ч л # s // Ллп.

3 17 /-C0°-N /-V,.

Ос sc -// I.

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

С точки зрения молекулярного строения, общим для всех исследованных объектов, являлось наличие двух бензольных колец, во многом определяющих диамагнитные свойства жидкокристаллических соединений [ Zi ], жестко соединенных центральной группой (группа СОО во всех объектах, за исключением БББА). При этом для отдельных объектов характерно и совпадение одной из концевых групп (группа ОСТ^для БББА и 409, группа СНО для НФОБ и 608, группа ОСН.- для 6010 и 608).

Отмеченные особенности молекулярного строения играют существенную роль при исслёд9вании полиморфных превращений в данных объектах. Так, близость молекулярного строения 608 и 6010 проявляется практически в совпадении температур просветления, как в индивидуальных соединениях, так и в смесях, что свидетельствует о близости межмолекулярных потенциалов, отвечающих за образование нематической фазы и является существенным для исследования критической динамики нематико-изотропного перехода. В тоже время наличие в НФОБ полярной концевой группы NO, вызывающей появление бислоевой смектической, А структуры сегнетоэлектрического типа позволяет ожидать особенностей физических свойств для данного соединения [23 ](в акустических исследованиях эти особенности проявляются в смещении релаксационного спектра в области низких частот).

С точки зрения исследования фазового перехода нематик-смектик А, характерного для четырех исследованных соединений, весьма важным обстоятельством является различный температурный интервал существования нематической фазы (АТМ), определяющей близость указанного превращения к переходу второго рода.

Наконец, наличие в отдельных соединениях (6010, 608) достаточно протяженной смектической С-фазы позволяет провести детальное исследование воздействия магнитных полей на ориентационную структуру смек-тика С.

С методической точки зрения существенным обстоятельством является удобный температурный диапазон полимезоморфных превращений и более высокая стабильность по сравнению с исследованными ранее высокотемпературными соединениями (например ТББА).

Детальный анализ результатов акустических исследований полимезоморфных и структурных изменений в жидких кристаллах требует привлечения большого объема дополнительной информации. Такая возможность реализуема для исследуемых объектов, т.к. они в той или иной степени исследовались и независимыми методами (в частности НФОБ являлся объектом комплексного исследования учеными социалистических стран). Выполненные ранее измерения акустических параметров в БББА и НФОБ в мегагерцовой области частот[24,25] существенно дополняют результаты данных исследований, а также подтверждают достоверность экспериментальной информации и выводов, представленных в диссертации. Что касается объектов, акустооптических исследований — р-п-метоксибензилиденпбутиланилина (МББА) и его 1:1 смеси (Н-37) с ближайшим гомологом (ЭББА), то их выбор определялся в первую очередь, количеством детальной информации о физических свойствах данных соединений, позволяющей выполнить количественные оценки и сравнить их с экспериментальными результатами, представленными в данной работе. Кроме того, использование промышленно выпускаемой смеси является актуальным с точки зрения практическом реализации результатов проведенных исследований.

Завершая введение я хотел бы поблагодарить сотрудников и аспирантов Проблемной лаборатории молекулярной акустики Московской Государственной Академии Приборостроения и Информатики — Баландина В. А., Бахтиярову А. М., Геворкяна Э. В., Ежова С. Г., Кашицына A.C., Киреева В. И., Ларионова А. Н., Рящикова A.C., Шмелева О .Я., Цветкова В. А., Чахояна С. Ш., без творческого сотрудничества с которыми данная работа вряд ли могла состояться. Я выражаю свою благодарность Лагунову A.C., Сенкевичу A.A., [Ноздреву В. Ф], [Капустину А. Ш, Алехину Ю. С., Лукьянову А. Е., Кононенко B.C., которые оказали непосредственное влияние на выбор направления исследований, представленных в диссертации. Я также благодарен Анисимову М. А., Блинову Л. М., Беляеву В. В., Болотину Б. М., Вистиню Л. К., Гуровичу Е. В., Кацу Е. И., Кожевникову E.H., Лебедеву В. В., Рюмцеву E.H., Сонину А. С., Чигринову В. Г., за ценные замечания при обсуждении отдельных результатов исследований. Наконец, я должен поблагодарить Кравчука A.C., Соколова В. В., Алешина В. А., Лукашкина В. Г., Шустрова Б. А., Ларионову H.H., Неронова H.A., Торчинскую A.B. за помощь и поддержку организационного и технического характера.

Часть результатов, изложенных в данной работе, получена при поддержке Международного Научного Фонда и Российского Фонда Фундаментальных Исследований.

Основные результаты и выводы.

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

— 249.

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 подтверждены 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 мезофаз и свойств симметрии смектических фаз на характер предпереходных аномалий анизотропных акустических параметров.

6. Доказана эффективность использования акустического метода для исследования изменений макроструктуры смектической С фазы, вызванных магнитными полями. Установлены существенные различия в реакции смектической С фазы на воздействие магнитных полей, изменяемых по величине и направлениюв частности, обнаружен и исследован эффект гистерезиса акустических параметров смектика С при вращении магнитного поля.

7. Впервые экспериментально установлено влияние типа полимезоморфизма и условий формирования жидкокристаллических образцов на квазистатические и динамические угловые зависимости коэффициента поглощения ультразвука в смектической С фазе при воздействии вращающегося магнитного поля.

8. Предложена модель динамического отклика С фазы на воздействие магнитного поля, учитывающая ненасыщающий характер поля и искажения реальной слоевой структуры образцов смектиков С. В рамках модели объяснены нарушения синхронности вращения поля и директора, искажения угловых зависимостей коэффициента поглощения ультразвука во вращающемся магнитном поле, а также асимметрия индукционных зависимостей данного параметра.

9. Получены первые результаты по динамическому поведению ориентационной структуры нематических жидких кристаллов в условиях комбинированного воздействия акустического, электрического и магнитного полей при вариации гидростатического давления. Доказана эффективность управления с помощью электрического и магнитного полей оптическим откликом жидкого кристалла на механические возмущения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные экспериментальные исследования продемонстрировали высокую информативность акустических методов при изучении динамики фазовых переходов и структурных превращений в жидких кристаллах. С точки зрения исследования фазовых переходов решающую роль в получении новой информации сыграло снижение нижней границы диапазона ультразвуковых колебаний (до 0.2 МГц) и детальное исследование угловых зависимостей скорости и коэффициента поглощения ультразвука. При этом появилась возможность проверить как общие выводы теории фазовых переходов, так и установить специфику, присущую полимезоморфным превращениям различного типа. Дальнейший прогресс в данном направлении по-видимому возможен при повышении точности измерения акустических параметров.

Для реализации возможностей акустического метода как средства исследования макроструктуры жидкокристаллических образцов больших линейных размеров определяющим явилось использование различных 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 ориентационную 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.

Показать весь текст

Список литературы

Анисимов М.А. Критические явления в жидкостях и жидких кристаллах. -М. Наука, 1987. -245 с. 2. Де Же В. Физические свойства жидкокристаллических веществ: Пер. с англ. -М.: Мир, 1982. -152 с.
Sohl C.H., Miyano K., Ketterson J. В., Wong G. Viscosity and surface -tension measurements on cyanobenzylidene octyloxyaniline using propagating capillary waves: Critical behavior. //Phys. Rev. -1980. -v.22A, N. 3 -p. 1236−1265
Marielli M., Mercuri F., Foglietta S., Zamnut U., Scudieri F. Anisotropic heat transport in the octylcyanobiphenyl (8CB). // Phys. Rev. -1996. -v. 54E, N. 2 -p. 1604−1609
Лагунов A.C. Ультразвук и динамические свойства жидких кристаллов в статических и переменных магнитных полях. Дисс. докт. физ.-мат. наук. -М., 1987.
Гарланд К. Ультразвуковые исследования фазовых переходов и критических точек // Сб. Физическая акустика (ред. У. Мезона). 1971. -т.7. -с.61−173
Капустин А.П., Капустина О. А. Акустика жидких кристаллов. -М. Наука, 1986. -248 с.
Рящиков A.C., Баландин В. А., Пасечник C.B. Релаксационные свойства нематической фазы октилоксибензшшдентолуидина на частотах ниже 1МГц // Журнал физ. химии. -1982. -T.LYI, № 9. -с.2320−2321.
Гурович Е.В., Кац Е.И., Лебедев В. В. Критическая динамика при фазовом переходе смектик А-смектик С // ЖЭТФ. -1988. -т.94, вып.4. -с. 167 181.
Anisimov М.А., Voronov V.P., Kulkov А.О., Kholmurodov F. Adiabatic calorimetry measurements in the vicinity of the nematic-smectic A-smectic С multipritica} point // J. fhys.(Fr.) -J985. -V.46. -p.2137−2143.
Sukumaran S., Rangunath G.S. Dynamics of kinks in smectic-C liquid crystals in periodically varying external fields. // Phys. Rev. -1997, v. 56E, N. 2 -p.1791−1803.
Геворкян Э.В. Магнитоакустические свойства нематических и смектических жидких кристаллов. // Применение ультраакустики к исследованию вещества: Сб. статей. -М. ВЗМИ, 1981. -вып. 31, -с.64−77.
Barbero J., Miraldi Е., Oldano С., Taverna Valabregea P. Freedericks transitions in crossed electric and magnetic fields // Z. Naturforsch. -1988. -V.43a. -p.547−554.
Stewart J.W., Faulkner T.R. Director orientation in nematic liquid crystals using crossed electric and magnetic fields // J. Phys. A. -1995. V.28, N19. -p.5643−5652.
Баландин B.A., Пасечник C.B., Орлов В. А. Измеритель разности давления. Патент РФ, № 2 008 637, 1994 г.
Баландин В.А., Пасечник С. В., Геворкян Э. В. Способ измерения давления. Патент РФ, № 2 036 447, 1995 г.
Balandin V.A., Pasechnik S.V., Prokopjev V.I., Shmelyoff O.Ya. Ultrasound absorption anisotropy in the vicinity of smectic A-nematic transition // Liq. Cryst. -1988. -V.3,N10. -p.1319 1325.
Eggers F., Funk Th. Ultrasonic measurements with millimeter liquid samples in 0,5−100 MHz range //Rev. Sci. Instrum. -1973. -V.44, N8. -p.969−977.
Кононенко B.C. Прецизионный метод измерения коэффициента поглощения ультразвука в жидкостях на частотах 0,1−20 МГц // Акуст. журнал. -1987. -т.23, вып.4. -с.688−694.
Прокопьев В.И., Кононенко B.C., Рящиков А. С. Устройство для прецизионных измерений акустических параметров в малом обьъеме исследуемых веществ // Тез. докл. 5-й Всесоюзной конф. «Методика и техника ультразвуковой спектроскопии». -Вильнюс: 1984.
Кашицын А.С. Акустические исследования динамических процессов в ориентированных жидких кристаллах, имеющих фазовый переход смектик А-смектик С: Дисс.канд. физ.-мат. наук. -М., 1989. -с.67
Balandin V.A., Gurovich E.V., Kashitsin A.S., Pasechnik S.V. An ultrasonic investigation of the critical behavior of the elastic moduli near the smectic С smectic A phase transition. // Liquid crystals. -1991. -V.9.,№ 4. -p.551−564.
Романов В.П., Ульянов C.B. Анизотропия скорости звука в нематической фазе жидких кристаллов. // Акуст. журнал. -1991. -т.37, № 2. -с.387−393.
Nagai S., Martinoty P., Candau S., Zana R. The intramolecular ultrasonic relaxation of nematic liquid crystals far below the transition temperature // Bull, of theNNRLM. -1977. V.4. -p.13 -18.
Самсонов B.C. Исследование магнитоакустических свойств нематических жидких кристаллов: Дисс.канд. физ.-мат. наук. -M., 1983.
Castro С.A., Hikata A., Elbaum С. Ultrasonic attenuation anisotropy in a nematic liquid crystal //Phys. Rev. A. -1978. -V.17,N.l. -p.353−361.
Пасечник C.B., Баландин В. А., Прокопьев В. И., Шмелев О. Я. Критическая динамика и акустические параметры нематика в окрестности температуры просветления // Журнал физ. химии. -, 1989. -t.LXIII, № 2. -с.471−475.
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. -t.XXXIII, вып.4. -с.583−587.
Пасечник C.B., Баландин В. А., Чахоян С. Ш., Кашицын A.C. Особенности критического поглощения ультразвука в жидкокристаллической бинарной системе, образующей NAC точку // Журнал физ. химии. -1994. № 2, с.333−339.
Кашицын A.C., Пасечник C.B., Шмелев О. Я. Анизотропия акустических параметров при полиморфных превращениях жидкого кристалла. // Вопросы физики формообразования и фазовых превращений: Сб. статей. -Калинин, 1989. -с.134−139.
Анисимов М.А., Воронов В. П., Гольдштейн A.C., Городецкий Е. Е., Кияченко Ю. Ф., Меркулов В. М. Универсальность критической динамики в нематических жидких кристаллах//ЖЭТФ. -1984. -т.87, вып.6. -с. 1969−1983.
Ландау Л.Д., Лифшиц Е. М. Статистическая физика, ч.1. -М.: Наука, 1976. -с.53 658. Резцов Ю. В. Исследование влияния магнитного поля на акустическую релаксацию в нематических жидких кристаллах. Дисс. канд. физ. мат. наук. -М., 1987.
Кожевников Е.Н. Релаксация углового распределения молекул нематического жидкого кристалла в звуковом поле // Акуст. журнал. -1994. -т.40, № 3. -с.412−416.
Forster D., Lubensky Т.С., Martin Р.С., Swift J., Pershan P. S. Hydrodynamics of liquid crystals // Phys. Rev. Lett. -1971. -V.26, N17. -p. 10 171 019.
Stephen M.J., Straley J.P. Physics of liquid crystals // Rev. Mod. Phys.1974. -V.46. -p.617−704.
Шмелев О.Я., Пасечник С. В., Баландин В. А., Цветков В. А. Температурные зависимости коэффициентов Лесли бутоксибегоилиденбутил-анилина. // Журнал физ. химии. -1985.-t.LIX, № 8. -с.2036−2039.
Хабибуллаев П.К., Геворкян Э. В., Лагунов А. С. Реология жидких кристаллов. // Ташкент, ФАН, 1992, -с.297
Баландин В.А., Ларионов А. Н., Пасечник С. В. Акустическая вискозиметрия жидких кристаллов при изменяющихся давлении и температуре. //ЖЭТФ,-1982,-т.83, № 6(12). с.2121−2127.
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.
Jahnig F. Dispersion and absorption of sound in nematics // Z. Physik. -1973.-V.258.-p. 199−208.
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, № 1. -с. 1675−1677.
Резцов Ю.В. К вопросу о механизме поглощения ультразвука в нематических жидких кристаллах. // Применение ультраакустики к исследованию вещества: Сб. статей. -М.:ВЗМИ, 1975. -вып. 28. -с.66−75.
Белоусов А.В. Влияние магнитного поля на коэффициент поглощения ультразвука в нематической фазе п-н-гектилоксибензойной кислоты. // Применение ультраакустики к исследованию вещества. Сб. ст. -М. ВЗМИ., 1975. -вып. 28. -с.52−57
Wetsel G.C., Speer R.S. et al. Effects of magnetic field on attenuation of ultrasonic waves in a nematic liquid crystal // J. Appl. Phys. -1972. V.43, N4. -РЛ495−1497.
Кожевников Е.Н. Критическая анизотропия скорости и поглощения звука в нематическом жидком кристалле // Акуст. журнал. -1990. -т.36, вып.З. -с.458−462.
Mullen М.Е., Luthy В., Stephen M.J. Sound velocity in a nematic liquid crystal // Phys. Rev. Lett. -1972. -V.28, N13. p.799−801.
Пасечник С.В., Баландин В. А. Анизотропный характер скорости ультразвука в окрестности фазового перехода нематик смектик, А // ЖЭТФ.-1982.-т.83, № 1(7) — с. 195−201.
Litster J.D., Garland C.W., Lushington К.J., Shaetzing R. Experimental studies of liquid crystal phase transition //Molec. cryst. liquid cryst. -1981. -V.63. -p. 145−156.
Ocko B.M., Birgeneau R.J., Litster J.D., Neubert M.G. Critical and tricritical behaviour at the nematic to smectic A transition // Phys. Rev. Lett. -1984. -V.52, N3. -p.208−211.
De Vries A. Evidence for the existence of more than one type of nematic phase //Molec. Cryst. liquid cryst. -1970. -V.10, N1. -p.31−37.77. Де Жен П. Физика жидких кристаллов: Пер. с англ. -М.: Мир, 1977. -с.400
Чандрасекхар С. Жидкие кристаллы: Пер. с англ. -М: Мир, 1980. -с.3447 9. Kiry F., Martinoty P. Ultrasonic attenuation in CBOOA near the nematic-smectic A transition//! Phys. (Fr.) -1978. V.39, N9. -p. 1019−1035.
Холмуродов Ф. Адиабатическая калориметрия вблизи фазовых переходов в смесях жидких кристаллов: Дисс.канд. физ.-мат. наук. -М., 1983.
Anderek B.S., Swift J. Propagation and attenuation of sound near the smectic A-smectic С phase transition in liquid crystals // Phys. Rev. A. -1982. -V.25, N2. -p.1084−1091.
Sasho S., Matsushita М., Sawada Y. Ultrasonic attenuation near the smectic A-to С transition temperature of TBBA and TBPA // Phys. Lett. -1982. V.93A, N1. -p.27−29.
Mazenko G.F., Ramaswamy S., Toner J. Breakdown of conventional hydrodynamics for smectic A, hexatic В and cholesteric liquid crystals // Phys. Rev. A. -1983. -V.28, N3. -p.1618−1636.
Swift Y., Mulvaney B.Y. Entropy of phase transition in a binary mixture of liquid crystals // Y. Chem. Phys. -1980. v. 72, N 5. -p.3430−3432.
Chen Y.H., Lubensky T.S. Landau-Ginsburg mean-field theory for the nematic to smectic С and nematic to smectic A transitions // Phys. Rev. -1976. -v. 14A, N3.-p. 1202−1207.
Михайлов И.Г., Соловьев В. А., Сырников Ю. П. Основы молекулярной акустики. -М.: Наука, 1964.
Meiboom S., Hewitt R.C. Rotational viscosity of a smectic С liquid-crystalline phase //Phys. Rev. Lett. -1975. V.34, N18. -p.l 146−1149.
Meirovitch E., Luz Z. The structure of the smectic phases of terephthal-bis- (butylaniline) studied by electronspin resonanse spectroscopy // Mol. Phys. -1975. -V.30, N5. -p. 1589−1602
Баландин В.А., Лагунов A.C., Лукьянов A.E. Анизотропное распространение ультразвука в смектических жидких кристаллах // Применение ультраакуситки к исследованию вещества: Сб. статей. -М.: ВЗМИ, 1981. -вып. 31. -с.47−55.
Luz Z., Hewit R.C., Meiboom S. Deuterium magnetic resonance study of a smectic liquid crystal //J. Chem. Phys. -1974. -V.61, N5. -p. 1758−1765.
Pasechnik S.V., Balandin V.A., Kashitsin A.S. Acoustic study of reorientation in a smectic С phase in a rotating magnetic field. // Liquid crystals. -1989. -V.6. -p.727−730.
Богданов Д.Л., Лагунов А. С., Пасечник C.B. Акустические свойства жидких кристаллов в пространственно-переменных магнитных полях // Применение ультраакустики к исследованию вещества: Сб. статей. -М.: ВЗМИ, 1980. -вып.30. -с.52−61.
Богданов Д.Л., Геворкян Э. В., Лагунов А. С. Акустические свойства жидких кристаллов во вращающемся магнитном поле // Акуст. журнал. -1980. т. ХХУ1, вып. 1. -с.28−34.
Кац Е. И. Поведение нематических жидких кристаллов во вращающемся магнитном поле // ЖЭТФ. -1973. т.65, вып.1. -с.324−330.
Limmer s., Findeisen M. Proton NMR studies of smectic С phases // Cryst. Res. Technol. -1983. -V.18, N1. -p.91−96.
Priest R.G. Simple model for the smectic A-smectic С phase transition // J. Phys. (Fr.) -1975. V.36, N5. -p.437−440.
Pasechnik S.V., Larionov A.N., Balandin V.A., Nozdrev V.F. Etude acoustique de cristanx liquides nematiques sons champ magnetique pour differentes temperatures et pressions. // J. Phys. (Fr.). -1984.-t.45, №. -p.441−449.
Геворкян Э.В. Акустические свойства смектических жидких кристаллов // Применение ультраакустики к исследованию вещества: Сб. статей. -М.: ВЗМИ, 1980. -вып.30. -с.89−99.
Pasechnik S.Y., 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.
Vorflusev V.P., Chigrinov Y.G., Panarin Yu.P. Effect of PVA Orientant on Electrooptical Properties and Bistability in Ferroelectric Liquid Crystal Cell // Mol. Mater. -1993. -V.2, N4. -p.275−282.
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. //Europhys. Lett. -1990. -V.12, № 4. -p.353−356.
Pasechnik S.V., Chahoian S.Sh. Magnetic field induced variations of structure of a smectic C. // 15-th International Liquid Crystal Conference, Budapest, Hungary (Abstracts). -1994. -V.l. -B -Sbp -18.
Wulf A. Molecular models of the smectic С phase and magnetic resonance experiments // J. Chtm. Phys. -1975. -V.63, N4. -p.l 564−1571.
Пасечник C.B. Структурные особенности и акустические параметры смектика С в ненасыщающем магнитном поле. //Изв. АН Сер. физ. -1996. -т.60, № 4. -с.58−65.- 25.9
Лэмб Д. Термическая релаксация в жидкостях // Сб. Физическая акустика (под ред. У. Мезона): М., Мир. -1968. -т.2, ч.А. -с.222−297.
Karpovich Y. Investigation of Rotational Isomers with Ultrasound // Y. Chem. Phys. -1975. -v. 22, N 10. -p. 1767−1773.
Блинов JIM. Электро- и магнитооптика жидких кристаллов -М- Наука, 1978.-384 с.
Gouda F., Skarp К., Anderson G., Kressc H., Lagerwall S.T. Viscosoelastic Properties of the smectic A* and C* phases studied by a new dielectric method // Jar. Journ. Appl. Phys. -1989. -v.28, N 10. -p. 1887−1892.
Вистинь Jl.К. Устройства на жидких кристаллах в системах управления, связи и информации -М. изд. ЦНИИПИ, 1977, 70 с. 12 9. Пикин С. А. Структурные превращения в жидких кристаллах -М. Наука, 1981, -с.336
Schierel М., Fahrenschon R. Transient times and multiplex behaviour of nematic liquid crystals in the electric field // Appl. Phys. -1975. -V.7, -p.99−105.
Киреев В.И., Пасечник С. В. Установка для исследования акустооптических эффектов в жидких кристаллах при изменяющихся давлениях. // Применение ультраакустики к исследованию вещества: Сб. статей. -М.ВЗМИ. -1984. -вып.36 -с.58−62.
Ежов С.Г., Пасечник С. В., Баландин В. А. Влияние электрического поля на временные характеристики акустооптического эффекта в нематических жидких кристаллах. // Письма в ЖТФ. 1984.-т. 10, № 7−8.-с.479−482.
Ежов С.Г. Ориентационная релаксация нематических жидкихкристаллов при воздействии ультразвука и электрического поля. Дисс.канд. физ.-мат. наук. -М, 1984.
Шаповалов В.И. Упругооптические эффекты в гомеотропных слоях лиотропных нематиков: Дисс.канд. физ.-мат. наук. -М., 1989.
Пасечник С.В., Баландин В. А., Ежов С. Г. Акустооптика нематика в электрическом поле. // Применение ультраакустики к исследованию вещества: Сб. статей М. ВЗМИ, 1987. -с.3−12.
Hays C.F. Evidence for acoustic streaming in the nematic acoustooptic effect//Molec. cryst. liquid cryst. -1980. -V.59. -p.317−328.
Greulich M., Heppke G., Shneider F. Bestimmung elastisher konstanten von MBBA und EBBA mit der electrishen leitfahigkeits metode // Z. Naturforsch. -1975. -Y.30A, N4. -p.515−518.
Пасечник С.В., 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.
Kneppe Н., Schneider F. Rotational viscosity coefficients for mixtures of nematic liquid crystals // Molec. cryst. liquid cryst. -1983. -V.97. -p.219−229.
Kneppe H., Reiffenrath V., Schneider F. Anisotropy of the magnetic susceptibility of some nematic liquid crystals // Chem. Phys. Lett. -1982. -V.82, N1. -p.59−62.
Kireev V.I., Pasechnik S.V., Balandin V.A. Acoustooptical effect in a nematic under a combined influence of electric and magnetic fields. // Summer European liquid crystal conference, Lithuania, Vilnius (Abstracts). -1991. -V.2. -p.56.
Пасечник C.B., Киреев В. И., Баландин В. А. Динамика изменений ориентационной структуры нематика в электрическом поле под действием ультразвука при варьируемом давлении. // Изв. АН Сер. физ. -1996. -т.60, № 4. -с.36−42.
Баландин В.А., Пасечник С. В., Орлов В. А., Аносов Л. И. " Датчик вихревого расходомера." Патент РФ, № 2 071 035, 1996 г.261
Экспериментальные методы измерения акустических параметров жидких кристаллов1. Резонаторный метод
Сж скорость ультразвука в жидкости.
Для малых поглощений (аЬ"1) выражение П 1 может быть линеаризовано около частоты резонанса и поглощение ультразвука на длину волны определяется соотношением:38 .).1. П1)1 Af1. Q- fn1. A nгде CL добротность жидкости, Afn — ширина кривой на уровне 0,707.
Важным преимуществом выпукло-вогнутых пьезопреобразователей по сравнению с плоскими является существенное снижение требований к точности их установки в корпусе резонатора.
Используя (П 8), Легко получить соотношение для добротности заполненного резонатора2(4-д пгде ф, ф2 фаза, соответствующая частотам ^ и {2.
Ti и T0. Значения C0 и f0 для каждого резонаторного пика определяются градуировкой по эталонным жидкостям с известной скоростью ультразвука в соответствующем частотном интервале 37 .1. Импульсно-фазовый метод
Методика проведения акустических измерений
Особенности методики измерения акустических параметров импульсно-фазовым методом описаны в разделе 1.1.
Результаты контрольных измерений абсолютных значений акустических параметров и их анизотропии приведены в 37,39 .
Установка для исследования акустооптических эффектов в жидких кристаллах при изменяющихся давлениях.
Блок-схема установки изображена на рис. П1.
Схема узла измерительной камеры, содержащего ячейку с жидким кристаллом, изображена на рис. П2.
Излучатель, посылающий ультразвуковую волну на ячейку в направлении оси X (см. рис. 7.2), располагается в камере вне плоскости рисунка и на рис.ГО. не показан. Температура в камере измеряется при помощи хромель-копелевой термопары.
Отверстие в нижней части камеры служит для вакуумной заливки в камеру жидкого кристалла.
Несложная замена некоторых узлов камеры дает возможность оптически исследовать слой жидкого кристалла на просвет.
Установка позволяет проводить исследования стационарных и временных акустооптических характеристик жидких кристаллов, ориентированных различными факторами, в условиях изменяющихся температуры и гидростатического давления.
Рис. Й. Блок-схела экспериментальной установки для исследования акустооптических явлений в жидких кристаллах.
Рис. П2. Узел измерительной камеры высокого давления,

Заполнить форму текущей работой