Молекулярные аспекты нематических субфаз, обусловленных объемными и поверхностными эффектами

На правах рукописиКалинин Никита ВадимовичМОЛЕКУЛЯРНЫЕ АСПЕКТЫ НЕМАТИЧЕСКИХ СУБФАЗ,ОБУСЛОВЛЕННЫХ ОБЪЕМНЫМИ И ПОВЕРХНОСТНЫМИЭФФЕКТАМИСпециальность 01.04.07 – Физика конденсированного состоянияАвтореферат диссертации на соискание учёной степеникандидата физико-математических наукМ о с к ва  2 0 1 4Работа выполнена на кафедре физики полимеров и кристаллов физическогофакультета Московского Государственного Университетаимени М. В. Ломоносова.Научный руководитель:Доктор физико-математических наукЕмельяненко Александр Вячеславович.Официальные оппоненты:Доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Институтатеоретической физики им.

Л.Д. Ландау РАНКац Ефим Иосифович,Доктор физико-математических наук, профессор, профессор Московскогогосударственного университета приборостроения и информатикиПасечник Сергей Вениаминович.Ведущая организация: Московский государственный областной университетЗащита состоится «2» октября 2014 г. в 17 час. 00 мин. на заседаниидиссертационного совета Д 501.002.01 при Московском государственномуниверситете имени М. В. Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, Москва,Ленинские горы, д. 1, стр.

2, Физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова,ЮФА.С диссертацией можно ознакомиться в Отделе диссертаций Научной библиотекиМГУ имени М.В. Ломоносова (Ломоносовски просп., д. 27)Автореферат разослан «__»Учёный секретарьдиссертационного совета Д 501.002.01кандидат физико-математических наук2014 г.Лаптинская Т. В.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работыИспользование сложных (комбинированных) объектов в качестве молекулжидкого кристалла (ЖК), а также внедрение твёрдых наночастиц вжидкокристаллические системы расширяет набор разнообразных структур,которые могут наблюдаться в таких системах, а значит, открывает новыевозможности для поиска оптимальных свойств таких материалов (оптических,электрических, упругих). Если молекулы жидкого кристалла представляют собойдимеры (и более сложные олигомеры), то в таких материалах могут наблюдатьсянесколько нематических фаз, между которыми возможны фазовые переходы приизменении температуры, что можно использовать, например, для созданиясенсоров.

Существование димеров в нематических жидких кристаллахподтверждено экспериментально, например, в рентгеновских и диэлектрическихизмерениях1,2.Одной из актуальных проблем является создание жидкокристаллическихкомпозитов с необходимыми свойствами, в которых определённым образомсочетаются объёмные и поверхностные свойства.

Удачный дизайн поверхности,разделяющей разные части композита, позволяет не только оптимизироватьвнешние воздействия (величину электрического поля, интенсивностьультрафиолетового излучения и т.п.), вызывающие необходимые структурныеизменения в жидких кристаллах (например, при использовании вэлектроуправляемых оптических устройствах), но и открывает возможности дляиспользования новых свойств, которые проявляются только при определённыхсочетаниях геометрических параметров композитных ЖК-материалов.В композитных материалах поверхность может разделять сравнительнонебольшие объёмы ЖК и твёрдого компонента, и тем самым, оказывать сильноевлияние на свойства материала. Глобально поверхность оказывает дваконкурирующих влияния на ориентацию ЖК в составе композита: 1)ориентирующее влияние за счёт специфических взаимодействий молекул ЖК смолекулами твёрдой поверхности; 2) дезориентирующее влияние за счётдеформации поля директора, которые возникают из-за кривизны поверхности.Конкуренцию этих двух факторов можно оптимизировать, создавая новые фазы,управление структурой которых при помощи электрического поля или световогоизлучения оказывается более эффективным.Цель работыЦелью диссертационной работы является анализ нематических субфаз,обусловленных объемными и поверхностными эффектами в композитныхжидкокристаллических системах двух типов: 1) нематических фазах, состоящих3из димеров разных типов, находящихся в динамическом равновесии друг сдругом; 2) нематических фазах, содержащих небольшую долю примесисферических наночастиц.Научная новизнаВ эксперименте3 было обнаружено скачкообразное изменение анизотропиидиэлектрической проницаемости при изменении температуры в нематическойсмеси алкоксибензойных кислот 6OBAC и 7OBAC с неравными долямикомпонентов, однако объяснения данного эффекта до сих пор не существовало.Для смесей этих веществ с неравными долями компонентов в диссертации былапоказана возможность фазового перехода между двумя нематическими фазамипри изменении температуры.

Анизотропия диэлектрической проницаемости вточке перехода претерпевает разрыв, а ее знак меняется на противоположный.Этот переход не наблюдается в чистых веществах 6OBAC и 7OBAC, а также в ихсмеси с равными долями компонентов, и, таким образом, не долженсоответствовать текстурным переходам рассмотренным прежде в литературе4.В диссертации приведено теоретическое обоснование данного перехода врамках молекулярно-статистической теории. Было показано, что скачоканизотропии диэлектрической проницаемости обусловлен рекомбинациейдимеров, которая влечет за собой переход первого рода между двумянематическими фазами.Также в настоящей диссертации впервые была исследована термотропнаянематическая система, содержащая твёрдые наночастицы, и возможныеструктуры с неоднородным распределением параметра порядка в такой системе.Разработана молекулярно-статистическая теория для описания системынематиков с наночастицами кремнезема SiO2.

Разработана теория, описывающаявзаимодействие жидкого кристалла с поверхностью наночастиц искривленнойформы. Впервые теоретически объяснена обратная (по отношению к случаю ЖКна плоской поверхности) последовательность переходов при превращениинематика в изотропную жидкость: вблизи наночастиц – при меньшихтемпературах, а вдали от них – при больших.На молекулярном уровне установлена взаимосвязь между константамипроникновения параметров ориентационного порядка от сферическойнаночастицы вглубь объема жидкого кристалла и константами упругости жидкогокристалла.Научная и практическая значимостьЖидкие кристаллы ввиду своего промежуточного положения междужидкостями и кристаллами обладают уникальными свойствами и большимпотенциалом для исследований и разработок новых уникальных устройств(сенсоров,энергосберегающихдисплеев,электроннойбумаги,4перенастраиваемых оптических фильтров, линз с переменным фокуснымрасстоянием и т.п.).

Одной из фундаментальных проблем является созданиекомпозитных жидкокристаллических структур с выгодными электро- илитеплоуправляемыми свойствами за счёт комбинации поверхностных и объемныхсвойств. Во многих случаях решающую роль играет не столько выборконкретного материала поверхности, сколько её кривизна и размеры.Композитные материалы обычно обладают уникальными механическими иоптическими свойствами. Например, полидисперсные жидкие кристаллы (ПДЖК)комбинируют свойства полимерных материалов (включая способность кобразованию гибких пленок и покрытий) с уникальными свойствами жидкихкристаллов, таких, например, как способность переориентироваться подвоздействием внешнего поля или изменять оптические характеристики(прозрачность, двулучепреломление, светорассеяние и т.д.).

Такие материалыобычно приготавливаются в виде микрокапель, диспергированных в полимернойматрице. Существенным свойством ПДЖК является возможность настройкиоптических свойств (включая коэффициент отражения), например, под действиемэлектрического поля. Такие материалы имеют широкий спектр приложений,включая электронно-контролируемые жалюзи, высокоскоростные аттенюаторы,дисплеи большой диагонали, управляемые дорожные знаки и различныеуказатели, информационные доски аэропортов и вокзалов и так далее.Предсказание оптических, электрооптических и упругих свойств такихматериалов является одной из наиболее существенных задач для реализацииуказанных технологий. Для того чтобы установить особенности структуры ЖК спримесью твёрдых наночастиц и научиться эффективно ей управлять, вдиссертации была развита молекулярно-статистическая теория, описывающаяжидкокристаллические комплексы с наночастицами различного размера.