Влияние электрического и магнитного полей на термотропные и литотропные нематические жидкие кристаллы, страница 3

Эта система интересна тем, что в нейнаблюдается нематическая фаза, которой посвящен §3 настоящей главы.Исследовалосьизменениекоэффициентапоглощения∆k maxвзависимости от величины импульсного напряжения U0 и процесс егорелаксации после выключения поля. Измерения проводились на созданнойнами электрооптической установке при температуре 23 0С. КонцентрацияDSI в воде составляла 0.5 мас.%. В результате установлено, что ∆k max ∼ U02в области слабых полей и стремится к насыщению при увеличении поля.Время релаксации τ в области слабых полей составляет 64 мкс и от поля независит.

При дальнейшем увеличении поля время релаксации возрастает.Время τ связано с вращательной диффузией анизометричных частиц,состоящих из плоских молекул DSI, упакованных по типу "стопка монет".Используя значение τ нами получено отношение длины l частиц к ихдиаметру d. Это отношение равно 72. Используя данные о диаметре молекулDSI и расстоянии между молекулами в колонке получено, что l ≈ 790 Å,число молекул в колонках n ≈ 230.Таким образом, нами впервые экспериментально показано, что уже визотропной фазе, предшествующей возникновению жидкокристаллическихфаз, возникают агрегаты молекул DSI. Однако число молекул в агрегатах16изотропной фазы меньше, чем их число в жидкокристаллических фазах.

Наосновании этого можно сделать вывод, что в лиотропных жидких кристаллахориентационное упорядочение и рост агрегатов взаимосвязаны.В §2 представлены результаты исследования влияния магнитного поляна мицеллярный каламитик системы децилсульфат натрия (NaDS) (37.7мас.%)- деканол (DeOH) (6.6 мас%)- вода (55.7 мас.%) при температуре 20 0С.Исследованияпроводилисьнасозданнойнамимагнитооптическойустановке, основным элементом которой являлся электромагнит ФЛ - 1.Основным результатом этих исследований является зависимость величиныHF2⋅d от толщины слоя d, где HF2 - пороговое поле Фредерикса при твистдеформации.

Экспериментально установлено, что HF2⋅d увеличивается сростом толщины слоя. Это позволило определить значения константыупругости K2 = 3.6⋅10-6 дин и энергии сцепления W = 6.4⋅10-4 эрг/см2.В §3 представлены результаты исследования влияния магнитного поляи измерения упругих и вязких свойств хромонического нематика DSI - вода.Врезультатеэтихэкспериментальныеисследованийданныеовпервыетемпературныхполученыиновыеконцентрационныхзависимостях констант упругости, коэффициентов вязкости и параметрапорядка исследованной системы.В этом параграфе изложены основные сведения о молекулярномстроенииDSIианизометричныхагрегатах,возникающихприегорастворении в воде.

Описаны методики экспериментов по определениюконстант упругости, коэффициента вязкости и параметра порядка. Всеэкспериментыпроводилисьустановке.заключениеВнасозданнойметодическойнамичастимагнитооптическойпредставленанализпогрешностей измерений. Относительные погрешности измерений величинK i / χ a (i =1,2,3), γ 1 / K 2 , γ 1 / χ a , S составляют соответственно 11%, 10%,15%, 16%.При концентрации DSI 6.7 мас.% и температуре 23 0С измеренызависимости HF2⋅d и времени релаксации τ от толщины слоя d. Установлено,17что HF2⋅d постоянно при толщине образцов более 10 мкм, время релаксации τ∼ d2 (рис.

3.1).Рис. 3.1. Зависимость времени релаксации τ от квадрата толщины d образцов.В результате получены значения константы упругости K2 = 3.6⋅10-8 дин,энергии сцепления W > 10-4 эрг/см2 и коэффициента вращательной вязкостиγ1 = 70 П.Вэтомжепараграфепредставленырезультатыисследованийтемпературных и концентрационных зависимостей величин: K 2 / χ a , γ1/K2,γ 1 / χ a и параметра порядка S. На рис. 3.2 представлена температурнаязависимость параметра порядка при концентрации DSI 7.3 мас.%.Рис. 3.2. Зависимость параметра порядка S от температуры T. Значения Sрассчитаны по результатам измерения линейного дихроизма.18В результате проведенных исследований установлено:1. В области температур, близких к температуре перехода в двухфазнуюобласть N-I (интервал температур 35 - 45 0С), константа упругости K2изменяетсяпропорциональноквадратупараметрапорядка,чтосогласуется с теорией Майера - Заупе для термотропных нематиков.

Вэтой области температур параметр порядка резко уменьшается.2. В интервале температур 15 - 35 0С параметр порядка практически неизменяется. Однако величина K 2 / χ aуменьшается при увеличениитемпературы. Это свидетельствует о том, что температурная зависимостьK2 определяется не только через параметр порядка, но и явно. Это можетбыть связано с тем, что с изменением температуры изменяется энергиявзаимодействиямеждуструктурнымиединицами,вчастностисизменением их размеров.3. Коэффициентвращательнойпропорциональнопараметруэкспериментальнымиγ1вязкостипорядкарезультатамидляS,изменяетсячтопрямосогласуетсятермотропныхснематиков.Большое значение γ1 ~ 100 П объясняется тем, что в этом случае энергияактивации E a(1) = 0.88 эВ примерно в 2 раза больше, чем длятермотропных нематиков.

Это может быть обусловлено большимиразмерами структурных единиц в исследованной системе.В §4 представлены результаты исследования влияния электрического поляиизмеренияупругихивязкихсвойствколоночногонематикатетрапалладиевый органил (TPO) - пентадекан. В этой системе ранеенаблюдались две нематические фазы N1 и N2, которые отличались видомтекстур (рис. 3.3).

Однако, вывод о существовании двух нематических фазбыл сделан только на основе поляризационно - оптических наблюдений. Всвязи с этим цель настоящего параграфа заключается в том, чтобыэкспериментально выяснить, действительно ли изменение оптическихтекстур исследуемой системы связано с фазовым переходом.19(а)(б)Рис.

3.3.Текстуры нематических фаз N1 (а) (Т = 60 0С) и N2 (б) (Т = 90 0С). Толщинаячейки d = 32 мкм.Для этого, используя созданную нами электрооптическую установку,измерены температурные зависимости ln R (R - сопротивление слоя жидкогокристалла), двулучепреломления ∆n, отношения константы упругости K1 канизотропии диэлектрической проницаемости εa, отношения констант2αупругости K3/K1, отношения эффективной вязкости γ~ ( γ~ = γ 1 − 3 ) кη2константе упругости K1. На рис. 3.4 в качестве примера показана одна изтаких зависимостей.82γ/K1, 10 , s/sm87N2N165432104050607080901001101200T, CРис. 3.4. Зависимость отношения γ~ / K 1 от температуры T.В результате установлено, что для всех исследованных величин притемпературе 64 0С наблюдаются либо изломы, либо разрывы. При этой жетемпературе наблюдается изменение текстуры слоя.

На основе этого сделанвывод о том, что переход N1→N2 действительно является фазовымпереходом. В §5 суммированы основные результаты главы 3.Глава 420Периодические структуры в лиотропных нематических жидкихкристаллахОдним из отличий лиотропных нематиков от термотропных являетсято, что в них наблюдаются переходные периодические структуры (домены).Они возникают в процессах перехода НЖК из одного равновесногосостояния в другое. Нами экспериментально обнаружено, что причинамивызывающие такие переходы могут служить либо течение жидкогокристалла, либо влияние на него магнитного поля.

Здесь сразу отметим, чтодля теоретического описания переходных доменов хорошо подходит теорияконтинуума, развитая для термотропных жидких кристаллов. Причина, покоторой переходные домены легко обнаруживаются в лиотропных жидкихкристаллах,связанасихбольшимивязкостямипосравнениюстермотропными ЖК.В §1 исследованы домены, которые мы впервые наблюдали влиотропном нематическом жидком кристалле DSI - вода. Эти доменывозникают в процессе перехода от планарной ориентации директора кгомеотропной под действием границ. Исследования проводились приконцентрации DSI 5.5 мас.% и температуре 20 0С.

При этих условиях системаDSI - вода обладает нематической фазой. Нами экспериментальнообнаружено, что при обработке поверхностей стекол, между которыминаходится исследуемый лиотропный жидкий кристалл, пак - лаком илиацетилцеллюлозой возникает гомеотропная ориентация. При заправке ячеекзатеканием под действием потоков возникала планарная ориентациядиректора. Это наблюдалось с помощью поляризационного микроскопа.Затем, через некоторое время (зависящее от толщины ячейки), в отдельныхместах начинали зарождаться и развиваться гомеотропные области. На техграницах гомеотропных областей, которые перпендикулярны направлениюзатекания, в планарной области в плоскости слоя начинали возникатьпериодическиедоменныеструктурысволновымвектором,21перпендикулярным направлению директора.

Через некоторое время (порядканесколькихминут)доменныеструктурыраспространялисьнавсюпланарную часть образца (рис. 4.1).Рис. 4.1. Доменная структура, возникающая в процессе переориентации директораот планарной к гомеотропной текстуре под действием границ. Наблюдения проводятся вскрещенных поляроидах.

Темная область соответствует гомеотропной ориентации.С течением времени (несколько часов) гомеотропные области увеличивалисьи происходила полная переориентация образца.Для выяснения физической природы наблюдаемых доменов намиизмерена зависимость их периода P от толщины d образцов, представленнаяна рис. 4.2.Рис. 4.2. Зависимость периода P доменов от толщины слоя d.Из этого рисунка следует, что P ∼ d. Используя теорию размерностипоказано, что коэффициент пропорциональности в этой зависимости C =22α2/K⋅ρ, где α - коэффициент вязкости, ρ - плотность, K - константа упругостижидкого кристалла.

На основе этого был сделан вывод о том, чтовозникновение доменов связано с течением жидкого кристалла. Показано,что течения возникают в процессе переориентации директора, проникают впланарную область и это приводит к ориентационной неустойчивости полядиректора.В§2представленотеоретическоеописаниемагнито-гидродинамических доменов 2 - го рода, которые возникают в планарныхслояхлиотропныхнематическихжидкихкристалловприбыстромприложении к ним магнитного поля в плоскости слоя. Рассмотрение ведетсяпри учете конечной энергии сцепления.Показано, что магнито - гидродинамические домены являютсярезультатом диссипативых процессов в жидких кристаллах.