Влияние электрического и магнитного полей на термотропные и литотропные нематические жидкие кристаллы

Институт элементоорганических соединений им. А.Н. НесмеяноваРоссийской Академии НаукНа правах рукописиКАЗНАЧЕЕВ Анатолий ВикторовичВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО И МАГНИТНОГО ПОЛЕЙ НАТЕРМОТРОПНЫЕ И ЛИОТРОПНЫЕ НЕМАТИЧЕСКИЕ ЖИДКИЕКРИСТАЛЛЫ(специальность 01.04.07 - Физика конденсированного состояния)АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степенидоктора физико - математических наукМОСКВА - 20052Работа выполнена в лаборатории физической химии полимеровИнститутаэлементоорганическихсоединенийим.А.Н.НесмеяноваРоссийской Академии Наук.Официальные оппоненты:доктор физико - математических наук, проф. Беляков Владимир Алексеевичдоктор физико - математических наук Островский Борис Исааковичдоктор физико - математических наук, проф. Пасечник Сергей ВениаминовичВедущая организация: Физический институт им.

П.Н. Лебедева РАНЗащита состоится 26 октября 2005г. в 1600 часов на заседаниидиссертационного Совета Д 501.002.01 по защите диссертаций на соисканиеученой степени доктора наук в Московском Государственном Университетеим. М.В. Ломоносова по адресу: 119992, Москва, ГСП - 2, Ленинские горы,физический факультет МГУ, ауд. __________С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ им. М.В. Ломоносова.Автореферат разослан 23 сентября 2005г.Ученый секретарьДиссертационного Совета Д 501.002.01кандидат физико - математических наукТ.В.

Лаптинская3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работыСегодня широко известны термотропные и лиотропные жидкиекристаллы (ЖК). Первые из них находят применение в технике. Онииспользуютсяприсозданиииндикаторныхустройств,модуляторов,девиаторов, индикаторов температуры и акустических полей, плоскихтелевизионных экранов (дисплеев). Эти важные практические применениястимулировали широкие исследования по синтезу новых ЖК и получениюразличных композиций, исследованию их физических характеристик.Особенноширокоизучаетсявлияниеэлектрическогополянаориентированны тонкие (10-100 мкм) слои нематических жидких кристаллов(НЖК). Это обусловлено тем важным обстоятельством, что оптическиесвойства слоев, такие как двулучепреломление, значительно изменяются приприложении к ним очень малых управляющих электрических напряжений,порядка нескольких вольт.Применение тонких слоев приводит к целому ряду особенностей впротекании физических процессов в таких образцах, а также определяетконструктивные, технологические и эксплуатационные характеристикисамих электрооптических устройств.

Такие тонкие слои заключены междудвумя твердыми опорными поверхностями. Поэтому для них существенноезначение приобретает поверхностная поляризация жидкого кристалла и еговзаимодействие с опорными поверхностями, характеризующееся величинойэнергии сцепления. На момент начала выполнения настоящей работы этивопросы являлись наименее изученными, хотя выяснение особенностейповерхностныхслоевиихизменениепозволилобыуправлятьэлектрооптическими характеристиками гомеотропных слоев НЖК, и темсамым приборами на их основе.Что касается лиотропных НЖК, то для них, к моменту началавыполнения диссертации, были известны работы, посвященные как правило4структурнымилифизико-химическимсвойствамэтихсистем.Экспериментальные исследования влияния электрического и магнитногополейнаразличныепохимическомустроениюлиотропныеНЖКпрактически отсутствовали.

Не был экспериментально решен вопрос овозможностиприменениятеорииконтинуума,разработаннойдлятермотропных НЖК к лиотропным НЖК. Практически отсутствовалиэкспериментальныеданные,касающиесямакроскопическихсвойств(констант упругости и коэффициентов вязкости) лиотропных НЖК. Решениеэтих вопросов позволило бы существенно расширить наши современныепредставления о лиотропном мезоморфизме и дало бы экспериментальнуюбазу для развития молекулярных представлений о природе физическихсвойств лиотропных НЖК.В связи с этим, целью настоящей диссертационной работы являетсяэкспериментальное исследование влияния электрического и магнитногополей на термотропные и лиотропные НЖК, экспериментальное выяснениевозможностей распространить теорию континуума на лиотропные НЖК,использованиеэлектрическогоимагнитногополейдляизмеренияфизических свойств лиотропных НЖК.Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые• Экспериментально обнаружено, что в сильных электрических полях,приложенных к гомеотропным слоям термотропных НЖК, наблюдаетсяотклонение от квадратичного закона в зависимости двулучепреломления отнапряженности поля.• Теоретически решена задача о деформации гомеотропных нематическихслоев под действием электрического поля в полной постановке, чтопозволило рассчитать электрооптические характеристики таких слоев всильных полях.5• Показана возможность управления величиной энергии сцепления путемизменения концентрации водного раствора цетилтриметиламмонийбромида(ЦТАБ), который используется для создания гомеотропных нематическихслоев.• Экспериментально показано влияние энергии сцепления и поверхностнойполяризациинадвулучепреломлениеприисследованиифлексоэлектрического эффекта в термотропных НЖК.• Экспериментально установлено, что уже в изотропной фазе, котораяявляется предшественником нематической фазы хромонического жидкогокристалла системы DSI - вода, возникают стержнеобразные агрегаты молекулDSI.•Установлено,электрическогоичтоэкспериментальныемагнитногополейнаисследованиялиотропныеНЖКвлиянияхорошосогласуются с теорией континуума, разработанной для термотропных НЖК.• Проведены измерения констант упругости и коэффициентов вязкости длятрех различных по химическому строению (мицеллярный каламитик,хромонический и колоночный нематики) лиотропных НЖК.• Проведены измерения температурных и концентрационных зависимостейконстант упругости и коэффициентов вязкости исследованных видовлиотропных НЖК.• Экспериментально обнаружено, что в лиотропных НЖК в процессеперехода от планарной к гомеотропной ориентации под действием границмогут возникать периодические структуры.• Решена задача о магнито - гидродинамических доменах 2-го рода влиотропных НЖК с учетом энергии сцепления.• Обнаружено влияние магнитного поля на неорганические лиотропныеНЖК.6• Проведены экспериментальные исследования и предложено теоретическоеописание вытянутой формы тактоидов в тактоидной фазе неорганическихлиотропных ЖК.•Полученызначенияконстантупругости,энергиисцепленияиповерхностного натяжения в тактоидной фазе неорганических лиотропныхЖК.• Экспериментально обнаружено, что магнитное поле вытягивает крупныетактоиды.

Предложено теоретическое описание этого явления.Полученные в диссертации новые научные результаты имеютследующее практическое значение:• Найденный способ управления величиной энергии сцепления длягомеотропных слоев термотропных НЖК может позволить оптимизироватьхарактеристики электрооптических элементов на жидких кристаллах.Изученные в работе конкретные электрооптические элементы могут бытьиспользованы в качестве фазосдвигающих устройств в лазерных фазометрах,в системах оптической связи, в поверочных устройствах, предназначенныхдля поверки других фазосдвигающих оптических элементов.• Экспериментальные результаты, полученные о лиотропных НЖК,существенно расширяют наши современные представления о лиотропноммезоморфизме и дают экспериментальную базу для развития молекулярныхпредставлений о природе их физических свойств.В работе защищаются следующие основные положения:• Для гомеотропных слоев термотропных НЖК отклонение от квадратичногозакона зависимости двулучепреломления от напряженности электрическогополя связано с диэлектрической стабилизацией слоя и воздействием границ.•Энергиясцепленияиповерхностнаяполяризациявлияютнаэлектрооптические характеристики и пороговое поле Фредерикса тонкихгомеотропных слоев термотропных НЖК.7• Теория континуума, разработанная для термотропных НЖК, применимадля описания влияния электрического и магнитного полей на лиотропныеНЖК.• Две нематические фазы, которые наблюдаются в лиотропных НЖКотличаются температурным поведением физических свойств и значениемпараметра порядка.• Существенное отличие лиотропных НЖК от термотропных заключается взначениях величин, характеризующих их физические свойства.

Для обоихтиповЖКконстантыупругостипопорядкувеличинысовпадают.Коэффициент вращательной вязкости лиотропных НЖК на два порядкабольше, чем для термотропных НЖК.• Долгоживущие периодические структуры, возникающие в лиотропныхНЖК связаны с диссипативными процессами и большими значениямикоэффициентов вязкости.• Причиной вытянутой формы тактоидов являются сверхнизкие значенияповерхностного натяжения σ и большие значения энергии сцепления посравнениюсσ.Вытянутаяформакрупныхтактоидоввзоляхнеорганического лиотропного жидкого кристалла V2O5 - вода связана сконкуренцией между упругой энергией нематической фазы тактоида иповерхностной энергией на границе тактоида.

Вытянутая форма мелкихтактоидов связана с конкуренцией между поверхностной энергией и энергиейсцепления.• Магнитное поле ориентирует и вытягивает тактоиды за счет анизотропиимагнитной восприимчивости и энергии сцепления поля директора с границейтактоидов.Личный вклад диссертанта.В цикле работ, составляющих диссертацию, автору принадлежитопределяющий вклад.8Апробация работы.Результаты диссертационной работы представлялись, докладывались иобсуждались на Международной конференции Социалистических стран пожидким кристаллам (Тбилиси, 1981); XI Всесоюзной конференции покогерентной и нелинейной оптике (Ереван, 1982); 4 Всесоюзной научно техническойконференциипофотометрииобеспечению(Москва,1982);VиееметрологическомуМеждународнойконференцииСоциалистических стран по жидким кристаллам (Одесса, 1983); III научно техническом семинаре "Оптические свойства жидких кристаллов и ихприменение" (Ленинград, 1983); V Всесоюзная научная конференция"Жидкие кристаллы и их практическое использование" (Иваново, 1985); IВсесоюзный семинар "Оптика жидких кристаллов" (Ленинград, 1987); IВсесоюзное совещание по лиотропным жидким кристаллам (Иваново, 1990);Summer European Liquid Crystals Conference (Vilnius, Lithuania, 1991); IIМеждународная конференция по лиотропным жидким кристаллам (Иваново,1993); 15-th International liquid crystal conference (Budapest, Hungary, 1994);11th Conference on solid and liquid crystals - material science and applications(Zakopane, Poland, 1994); European conference on liquid crystals (Zakopane,Poland, 1997); III Международная конференция по лиотропным жидкимкристаллам(Иваново,1997);Europeanconferenceonliquidcrystals(Hersonissos, Crete, Greece, 1999); XIII Conference on liquid crystals (KrynicaZdroj, Poland, 1999); IVth International meeting on lyotropic liquid crystals(Ivanovo, Russia, 2000); XIV Conference on liquid crystals (Zakopane, Poland,2001);Международнаянаучнаяконференция"Кристаллизациявнаносистемах" (Иваново, 2002); Vth International meeting on lyotropic liquidcrystals (Ivanovo, Russia, 2003).Публикации.Результаты диссертации изложены в 56 печатных работах.9Структура и объем работы.Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов ивыводов и списка литературы (217 наименований).