Влияние электрического и магнитного полей на термотропные и литотропные нематические жидкие кристаллы, страница 5

Задавая эти величины, нами найдены равновесныезначения α и γ. Используя (5.1) и (5.2) рассчитывались равновесные значенияR и R1. Таким образом мы получаем полную информацию о равновеснойформе и поле директора тактоида постоянного объема. Изменение значенияV приводит к изменению равновесных значений переменных задачи. Средиразличных зависимостей, которые здесь могут быть получены, наиболееважной является R(α). Это связано с тем, что она может быть сопоставлена сэкспериментальными результатами по измерению размеров тактоидовразличного объема.В работе показано, что поставленная задача допускает аналитическоерешение в двух предельных случаях.

Первый случай соответствует W/σ>>1 иW / σ >> K i / σ ⋅ V 1 / 3 (сильное сцепление). При таких условиях показано, чтокрупные тактоиды вытянуты за счет конкуренции между упругой иповерхностной энергиями. При V→0 условие сильной связи нарушается, т.е.W / σ << K i / σ ⋅ V 1 / 3 . В этом случае вытягивание мелких тактоидовограничено конкуренцией между поверхностным натяжением и энергиейсцепления. На рис. 5.4 представлены результаты численного решения задачи.В§3представленыэкспериментальныеисследованияразмеровтактоидов системы V2O5 - вода. Здесь же проведено сопоставление теории иэксперимента.

Золи V2O5 были приготовлены по методу Бильтца.31Рис. 5.4. Графики функций R(α) при С1 = 4 мкм, С3 = 40 мкм и различныхзначениях W/σ: 1 - ∞, 2 - 50, 3 - 10, 4 - 2, 5 - 1.Концентрация С золей определялась методом выпаривания сразу после ихприготовления. Для золя N 1 C = 0.5 мас.%, для золя N 2 C = 0.6 мас.%, pH ≈3 для обоих золей. Измерения размеров тактоидов проводились наполяризационно - оптическом комплексе. Основным элементом этогокомплекса являлся поляризационно - оптический микроскоп Axiolab Polфирмы Zeiss.

Изображение через видеокамеру выводилось на монитор икомпьютер. Между видеокамерой и монитором находилась приставка LinkamVTO 232, которая оцифровывает изображение и позволяет его анализировать.В частности, она позволяет измерять размеры наблюдаемых объектов. Намиизмерялись зависимости R(α) для обоих золей в процессе их "старения".Время отсчитывалось от момента приготовления золей и составило околоодного года.

На рис. 5.5 представлена типичная зависимость R(α),полученная для золя N 2 через 83 дня после его приготовления.Сопоставление теории и эксперимента позволило получить значения K1/σ,K3/σ, W/σ и экспериментально определить их изменение в процессе старениязолей.Для обоих золей K1/σ ∼ 8 мкм и не зависит от времени старения.Используя значение K1 = 4⋅10-7 дин, полученное нами ранее в нематической32Рис.

5.5. Экспериментальная зависимость R(α), полученная для золя N 2 через 83дня после его приготовления. Линия 1 - теоретическая зависимость, полученная призначениях K1/σ = 8±2 мкм, K3/σ = 230±5 мкм, W/σ = 12±2, линия 2 - теоретическаязависимость, полученная для бесконечно сильной связи при тех же значения K1/σ и K3/σ.фазе исследуемой системы получена оценка поверхностного натяжения σ =5⋅10-4 эрг/см2 на границе тактоидов. Такие малые значения поверхностногонатяжения приводят к тому, что макроскопические тактоиды являютсявытянутыми. Значения K3/σ для обоих золей с течением времениуменьшаются. На рис.

5.6 представлена зависимость отношения константупругости K3/K1 от времени старения.50454035K3/K1302520151050020406080 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300t, дниРис. 5.6. Экспериментальная зависимость отношения констант упругости K3/K1 отвремени старения t золей N1 - o и N2 - .33Из этого рисунка следует, что отношение K3/K1 для обоих золей имееттенденцию к уменьшению и изменяется в интервале 30 - 10.

Полученныенами отношение K3/K1 ∼ 10 согласуются с аналогичными данными длядругой нематической фазы вирус табачной мозаики (TMV) - вода. Для неезначение K3/K1 = 8.8. Следует отметить, что в системе TMV - вода, хотя она ине относится к неорганическим лиотропным жидким кристаллам, такженаблюдается тактоидная фаза. По - видимому, большие значения K3/K1связаны с большими значениями отношения длины L к диаметру Dструктурных элементов. Например, для TMV L/D ≈ 17, в то время как длятипичногопредставителятермотропныхжидкихкристалловпараазоксианизола L/D ≈ 4.Полученное нами отношение W/σ с течением времени имееттенденцию к увеличению и изменяется в интервале 10 -100.

Используя ранееполученную оценку σ и интервал изменения W/σ, можно сделать оценку W ∼5⋅10-3 - 5⋅10-2 эрг/см2. Полученные значения энергии сцепления W хорошосогласуются с аналогичными данными, известными для термотропныхжидких кристаллов.В §4 представлены результаты исследования влияния магнитного поляна тактоидную фазу V2O5 - вода. Было известно, что магнитное полеориентируеттактоидыпосвоемунаправлению.Намивпервыеэкспериментально установлено, что магнитное поле вытягивает крупныетактоиды (рис. 5.7).Рис. 5.7. Магнитное поле вытягивает крупные тактоиды.34Нами предложено теоретическое описание этого явления. Для этого ввыражение энергии тактоида (5.3) добавляется магнитное слагаемое,связанное с анизотропией магнитной восприимчивости χa.

В результатеполучаем:~Φ=Kiσ ⋅ V 1/ 3χ a H 2V 1 / 3Ψi (α , γ ) + ΨS (α ) + ΨW (α , γ ) −Ψm (α , γ ) , (5.4)σσWгде H - напряженность магнитного поля, Ψm (α , γ ) - безразмерная функцияпеременных α и γ. Исследуя выражение (5.4) на экстремум, нами полученызависимости R(α) при различных значениях напряженности магнитного поля,которые представлены на рис. 5.8.R, µm432αcr1α, radРис. 5.8. Графики функций R(α) при K1/σ = 10 мкм, K3/σ = 100 мкм, W/σ = 20, χa =10-9, σ = 10-3 эрг/см2 и различных значениях H: 1 - 0; 2 - 10; 3 - 31.5; 4 - 100 кЭ.На этом рисунке кривая 1 соответствует теоретической зависимости R(α) вотсутствие магнитного поля. В области малых объемов все кривыесливаются, так как магнитное поле практически не действует на мелкиетактоиды(см.(5.4)).Онивытянутызасчетконкуренциимеждуповерхностной энергией и энергией сцепления.

В области больших объемов35наблюдается отклонение кривых 2, 3 и 4 от кривой 1. Крупные тактоидывытянуты за счет конкуренции между поверхностной энергией, энергиейсцепления и магнитной энергией. При дальнейшем увеличении объема поледиректора становится однородным в результате действия магнитного поля. Вэтомслучаетактоидывытягиваютсяврезультатеконкуренцииповерхностной энергии и энергии сцепления.

Угол α уменьшается истремится к значению αcr.Влияние внешнего поля на капли термотропных жидких кристалловограничивается изменением конфигурации поля директора. При этом то, чтопроисходит внутри капли никак не отражается на ее форме. Это связано сбольшим коэффициентом поверхностного натяжения и малой энергиейсцепления.В случае тактозолей ситуация обратная (W>>σ). Поэтому, внешнееполе, действуя на поле директора нематической фазы тактоида, влияет на егоформу.

Здесь мы впервые сталкиваемся с необычной в области жидкихкристаллов ситуацией, когда искажение поля директора магнитным полемприводит к наблюдаемому искажению формы капель.В §5 суммированы основные результаты главы 5.ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ1. В области сильных полей впервые экспериментально обнаруженыотклонения от квадратичного закона в зависимостях двулучепреломленияот напряженности электрического поля при исследовании обратногофлексоэлектрического эффекта.

Экспериментально показано, что знакотклонения от квадратичного закона зависит от толщины образца итемпературы.2. Дляобъясненияэлектрооптическаяэтогоявлениязадача(ввпервыеполнойрешенапостановке)онелинейнаядеформации36гомеотропного нематического слоя под действием электрического поля.Теоретически показано, что отклонение от квадратичного закона связанос диэлектрической стабилизацией слоя и воздействием границ.3.

Сопоставление теории и эксперимента позволило определить энергиюWсцепленияпоотклонениямдвулучепреломленияотквадратанапряженности поля. Для концентрации водного раствора ЦТАБ 10-7 Мзначение W составило 10-4 эрг/см2.4. Исследованытолщинныезависимостидвулучепреломленияиндуцированного электрическим полем в обратном флексоэлектрическомэффекте. В результате впервые показано, что двулучепреломлениеизменяется слабее, чем квадрат толщины жидкокристаллического слоя.Это связано с конечной величиной энергии сцепления.5. Экспериментально изучено влияние энергии сцепления и поверхностнойполяризациинаэлектрооптическиехарактеристикигомеотропныхнематических слоев в поперечном электрическом поле.

Впервыеэкспериментально показано, что увеличение концентрации водногораствораприводитЦТАБ,ккоторымуменьшениюобрабатывалисьэнергииопорныесцепленияиповерхности,поверхностнойполяризации. Увеличение концентрации ЦТАБ от 10-7 до 10-2 М приводитк уменьшению энергии сцепления на порядок, а поверхностнаяполяризация уменьшается на 2⋅10-5 дин1/2.6. Экспериментально исследована зависимость порогового напряженияФредерикса от толщины гомеотропного нематического слоя приразличных концентрациях водного раствора ЦТАБ. Впервые показано,что порговое напряжение Фредерикса зависит от толщины слоя.