Автореферат (Реологические свойства нематических жидких кристаллов при воздействии поверхностей, электрического поля и светового излучения)

На правах рукописиСемина Ольга АлександровнаРеологические свойства нематических жидких кристалловпри воздействии поверхностей, электрического поля и светового излученияСпециальность 01.04.07 – «Физика конденсированного состояния»Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физикоматематических наукМытищи – 2018Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательномучреждении высшего образования «МИРЭА – Российский технологическийуниверситет» в Проблемной лаборатории молекулярной акустикиНаучный руководитель: доктор физико-математических наук, профессорПасечник Сергей Вениаминович.Официальные оппоненты:Ларионов Алексей Николаевич, доктор физико-математических наук, доцент,Федеральное государственное образовательное учреждение высшегообразования Воронежский государственный аграрный университет имениимператора Петра I, профессор кафедры математики и физики.Долганов Павел Владимирович, доктор физико-математических наук,Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физикитвердого тела Российской академии наук, ведущий научный сотрудник.Ведущаяорганизация:Федеральноегосударственноеобразовательноеучреждениевысшегообразованиягосударственный университет».бюджетное«ИвановскийЗащита состоится «____» ___________ 20__ г.

в ___ ч. ____ м. на заседаниидиссертационного совета Д 212.155.07 по физико-математическим наукам набазе Государственного образовательного учреждения высшего образованияМосковской области Московского государственного областного университетапо адресу: 105005, Москва, ул. Радио д. 10АС диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственногообразовательного учреждения высшего образования Московской областиМосковского государственного областного университета по адресу: 105005,Москва, ул. Радио д.

10А, а также на сайте: http://mgou.ruАвтореферат разослан «___»_____________20__ г.Ученый секретарьДиссертационного совета Д 212.155.07,кандидат физико-математических наук,Н.Н. Барабанова2Общая характеристика работыАктуальность темы исследования. Жидкие кристаллы (ЖК) относятся кконденсированным частично упорядоченным средам. Простейшим примеромЖК являются нематические жидкие кристаллы (НЖК), отличающиеся отизотропной жидкости наличием ориентационной упорядоченности длинныхосей молекул, среднее направление которых определяется единичным вектором– директором n. Присущая НЖК связь директора n и градиентов скоростиприводит к целому ряду специфических явлений, таких как ориентация потоком,возникновение гидродинамических неустойчивостей и т.д.

В связи с этим НЖКдемонстрируют сложное реологическое поведение в сдвиговых течениях,являясь в общем случае неньютоновскими жидкостями. На молекулярномуровне диссипация энергии в потоках ЖК за счет вязкостных потерь,описываемая в терминах эффективной сдвиговой вязкости, связана с переносомимпульсавпространственнонеоднороднойанизотропнойсреде.Ориентационная структура, формируемая в потоках жидких кристаллов,определяетсяколлективнымвзаимодействиемориентационныхитрансляционных молекулярных движений, ориентирующим воздействиеммагнитных или электрических полей, а также характером взаимодействияприграничных слоев ЖК с поверхностью твердого тела.

Предложенные кнастоящему времени микроскопические теории вязкости НЖК позволяют накачественном уровне установить некоторые связи молекулярного строения смакроскопическими явлениями (например, ориентацией потоком), однако они нерешают задачу количественного расчета анизотропных диссипативныхпараметров, определяющих рабочие характеристики ЖК устройств. В связи сэтим наибольшее применение для описания неравновесных процессов в потокахЖК нашли континуальные теории, такие как теория Лесли-Эриксена,включающая набор макроскопических параметров (пять независимыхкоэффициентов Лесли). Экспериментально измеряемыми параметрами являютсяразличные комбинации коэффициентов Лесли, определяющие диссипациюэнергии в анизотропной жидкокристаллической среде и связь поля директора сполем скоростей. В частности, в потоках нематических жидких кристалловвозможна реализация ориентационной структуры, близкой к пространственнооднородному распределению директора.

При этом жидкокристаллическую средуможно рассматривать как условно ньютоновскую жидкость с вязкостью,зависящей от ориентации директора относительно направления скорости иградиента скорости в потоке. Зависимость измеряемой вязкости от ориентацииописываются тремя реологическими параметрами – вязкостями Месовича,соответствующими трем основным геометриям эксперимента и являющимисякомбинациями коэффициентов Лесли. Экспериментальное определениекоэффициентов вязкости Месовича является актуальной задачей физики жидкихкристаллов, решение которой необходимо для проверки следствийтеоретических моделей, рассматривающих поведение жидкокристаллическойсреды в условиях, далеких от равновесия.

Одним из традиционных способоврешения указанной выше задачи является проведение реологических3исследований объемных образцов ЖК, в присутствии сильного магнитного поля,подавляющего ориентирующее действие поверхностей и потока. Однако,данный способ требует использования большого количества исследуемоговещества, что ограничивает область его применения.

Альтернативный подход вреологических исследованиях связан с заменой стабилизирующего действиямагнитного поля на ориентирующее воздействие со стороны ограничивающихЖК поверхностей в ЖК ячейках микронной толщины1. Это позволяетиспользовать в измерениях малые объемы жидкого кристалла (менее 1 мл), чтокрайне актуально для исследования вязкостных свойств вновь синтезируемыхЖК.

Данные свойства определяют быстродействие ЖК элементов, и ихоптимизация открывает новые перспективы в совершенствованиисуществующих и разработке новых ЖК устройств, включая дисплеи, а такжеустройства оптоволоконной техники и сенсоры.Одной из основных идей, реализованных в данной работе, являетсяиспользование комбинированного воздействия поверхностей и электрическогополя на ориентационную структуру жидкого кристалла, что обеспечиваетопределение двух вязкостей Месовича при проведении реологическихисследований затухающего потока Пуазейля в капилляре с заданнымигеометрическими размерами и направлением поверхностной ориентации.Данный подход повышает достоверность полученных данных и может являтьсяосновой создания эффективных микровискозиметров нового типа.Указанный подход, показал свою эффективность также и приисследовании медленного изменения поверхностной ориентации ЖК,вызванного воздействием поляризованного светового излучения нафоточувствительный слой красителя, контактирующий с жидким кристаллом.Происходящие при этом физические процессы имеют коллективный характер идалеки от детального теоретического описания.

В рамках феноменологическойтеории указанные явления могут быть описаны в терминах скольжения(глайдинга) легкой оси, задающей поверхностную ориентацию ЖК.Разработанные ранее теоретические модели2,3 такого процесса включаютспецифические реологические параметры, такие как сила сцепления и вязкостьглайдинга, экспериментальное определение которых является актуальнойзадачей. Существующие микроскопические приближения, например,диффузионная модель, разработаны лишь для описания динамикипереориентации, происходящей в слое азо-красителя в отсутствии контакта сЖК. В связи с этим представляется актуальным экспериментальныеисследования индуцированного светом глайдинга при наличии дополнительныхориентирующих факторов.

Выполненные к настоящему времени эксперименты1Pasechnik S.V. Anisotropic shear viscosity in nematic liquid crystals: new optical measurement method / S.V.Pasechnik, V.G. Chigrinov, D.V. Shmeliova, V.A. Tsvetkov, and A.N. Voronov // Liquid Crystals. – 2004. – Vol. 4 (31).– pp. 585-592.2Pasechnik S.V. Effect of combined action of electric field and light on gliding of the easy axis in nematic liquid crystals/ S. V.

Pasechnik, A. V. Dubtsov, D. V. Shmeliova, V. A. Tsvetkov and V. G. Chigrinov // Liquid Crystals. – 2008. –Vol. 35. – pp. 569–579.3Kiselev A.D. Photoinduced reordering in thin azo-dye films and lightinduced reorientation dynamics of the nematicliquid-crystal easy axis / Alexei D Kiselev; V.G. Chigrinov; S.V. Pasechnik; A.V. Dubtsov // Phys Rev.

E. – 2012. Volume: 86. – art. 011706.4показывают на возможность управления азимутальным глайдингом с помощьюэлектрического поля, ориентированного в плоскости ЖК слоя. В тоже времяостаются неисследованными другие экспериментальные конфигурации,например, оптически-индуцированный глайдинг в присутствии электрическогополя, направленного по нормали к границе раздела ЖК – слой азо-красителя.Именно такая конфигурация экспериментально исследуется в настоящей работе.Дополнительное использование электрического поля позволяет не толькоизменять заданную ориентацию в объеме ЖК слоя, но и обеспечиваетсинхронное изменение поверхностной ориентации ЖК при повторномоблучении поляризованным световым излучением фоточувствительныхповерхностей, ограничивающих слой жидкого кристалла.Наконец, использование, в качестве дополнительного фактора, сильногоэлектрического поля при проведенных в данной работе реологическихисследованиях полимерных пористых пленок, заполненных жидким кристаллом,обеспечило эффективное управление ориентационной структурой ЖК,сформированной внутри поры.

При этом возможна проверка ряда следствийтеоретического моделирования данной задачи, учитывающего эффекты слабогосцепления на границе раздела ЖК – полимерная матрица.Объектамиисследованиядиссертационнойработыявляютсянематическийжидкийкристалл5ЦБ(4-пентил-4’-цианобифенил),поверхностныеслоиНЖК,контактирующегоснанометровымифотоуправляемыми слоями азо-красителя SD-1, а также дисперсная система –полимерная пористая пленка полиэтилентерефталата (ПЭТФ), заполненнаянематическим жидким кристаллом.Цель работы:- получение новой практически значимой информации о динамическихпроцессах и реологических свойствах жидких кристаллов при комбинированныхвоздействиях поверхностей, электрического поля и светового излучения.Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач:1.

Разработка и экспериментальная апробация модифицированного методаизмерения анизотропных коэффициентов сдвиговой вязкости НЖК в образцахмалых объемов (менее 0,2 мл), ориентированных поверхностями иэлектрическим полем;2. Изучение процессов поворота легких осей жидкого кристалла,ограниченного фотоуправляемыми поверхностями, при комбинированномвоздействии электрического поля и светового излучения;3. Изучение реологических свойств жидких кристаллов в условиях сильныхпространственных ограничений, реализуемых в композиционной среде НЖКпористая полимерная пленка, при дополнительном воздействии электрическогополя;4. Экспериментальнаяпроверкавыводовсуществующихтеорий,описывающих реологическое поведение ЖК при воздействии электрическихполей и поверхностей, в том числе на границе раздела ЖК-фотоориентируемаяповерхность.Предметомисследованияявляютсяреологическиесвойства5нематических жидких кристаллов, ограниченных поверхностями различнойтопологии, при воздействии электрического поля и светового излучения.Научная новизна работы:1.