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

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего образования «МИРЭА – Российский технологический университет»На правах рукописиСемина Ольга АлександровнаРеологические свойства нематических жидких кристалловпри воздействии поверхностей, электрического поля и светового излученияСпециальность 01.04.07 –«Физика конденсированного состояния»Диссертация на соискание ученой степени кандидатафизико-математических наукНаучный руководитель:доктор физико-математических наук, профессорПасечник Сергей ВениаминовичМОСКВА – 20182ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………………..4Глава 1. Обзор результатов теоретических и экспериментальных исследованийреологических свойств жидких кристаллов................................................................121.1.Структура и классификация жидких кристаллов..............................................121.2.Анизотропия физических свойств жидких кристаллов....................................151.3.Физические явления в потоках жидких кристаллов.........................................161.4.Методы измерения анизотропных сдвиговых вязкостей нематическихжидких кристаллов........................................................................................................211.5.Измеренияанизотропныхсдвиговыхвязкостейвпотокахжидкихкристаллов, стабилизированных поверхностями........................................................381.6.Постановка задачи исследования, выбор экспериментального метода иобъектов исследования..................................................................................................47Глава 2.

Методики создания жидкокристаллических ячеек и проведенияэкспериментальных исследований объемных реологических свойств нематическихжидких кристаллов, ориентированных поверхностями.............................................522.1.Методики создания поверхностной ориентации..............................................522.2.Этапы создания жидкокристаллической ячейки с фотоориентируемымиповерхностями...............................................................................................................572.3.МетодзатухающегопотокаПуазейлядляреологическихисследований..................................................................................................................582.4.Методизмерениятолщиныисследуемогообразцаспланарнойориентацией...................................................................................................................602.5.Конструкцииэкспериментальныхжидкокристаллическихячеек................................................................................................................................612.6.Экспериментальная установка и методики получения экспериментальныхданных............................................................................................................................6632.7.Экспериментальныерезультатыисследованияреологическихсвойствнематических жидких кристаллов в затухающем потоке Пуазейля и ихобсуждение.....................................................................................................................74Глава 3.

Изучение глайдинга легкой оси в жидкокристаллических ячейках сфотоуправляемымиповерхностямипридополнительномвоздействииэлектрического поля......................................................................................................853.1.Технологияизготовленияэкспериментальнойжидкокристаллическойячейки.............................................................................................................................873.2.Схема экспериментальной установки и методика проведения экспериментапо комбинированному воздействию светового излучения и электрического поля наориентацию жидкокристаллического слоя .................................................................893.3.Полученные результаты и их обсуждение........................................................92Глава 4.

Исследование реологических свойств жидких кристаллов при сильныхпространственных ограничениях и дополнительном воздействии электрическогополя ...............................................................................................................................1014.1.Применение метода затухающего потока Пуазейля для измерений сдвиговойвязкости ЖК при сильных пространственных ограничениях.................................1024.2.Конструкция измерительной ячейки и геометрия эксперимента.................1044.3.Полученные результаты и их обсуждение......................................................106ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................116СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................................118ПРИЛОЖЕНИЕ А........................................................................................................129ПРИЛОЖЕНИЕ Б ........................................................................................................1424ВВЕДЕНИЕАктуальность темы исследования.

Жидкие кристаллы (ЖК) относятся кконденсированным частично упорядоченным средам. Простейшим примером ЖКявляются нематические жидкие кристаллы (НЖК), отличающиеся от изотропнойжидкости наличием ориентационной упорядоченности длинных осей молекул,среднее направление которых определяется единичным вектором – директором n.Присущая НЖК связь директора n и градиентов скорости приводит к целому рядуспецифическихявлений,такихкакориентацияпотоком,возникновениегидродинамических неустойчивостей и т.д. В связи с этим НЖК демонстрируютсложное реологическое поведение в сдвиговых течениях, являясь в общем случаененьютоновскими жидкостями.

На молекулярном уровне диссипация энергии впотоках ЖК за счет вязкостных потерь, описываемая в терминах эффективнойсдвиговойвязкости,связанаспереносомимпульсавпространственнонеоднородной анизотропной среде. Ориентационная структура, формируемая впотоках жидких кристаллов, определяется коллективным взаимодействиемориентационных и трансляционных молекулярных движений, ориентирующимвоздействием магнитных или электрических полей, а также характеромвзаимодействия приграничных слоев ЖК с поверхностью твердого тела.Предложенные к настоящему времени микроскопические теории вязкости НЖКпозволяют на качественном уровне установить некоторые связи молекулярногостроения с макроскопическими явлениями (например, ориентацией потоком),однакоонидиссипативныхнерешаютпараметров,задачуколичественногоопределяющихрабочиерасчетаанизотропныххарактеристикиЖКустройств.

В связи с этим наибольшее применение для описания неравновесныхпроцессов в потоках ЖК нашли континуальные теории, такие как теория ЛеслиЭриксена, включающая набор макроскопических параметров (пять независимыхкоэффициентов Лесли). Экспериментально измеряемыми параметрами являютсяразличные комбинации коэффициентов Лесли, определяющие диссипациюэнергии в анизотропной жидкокристаллической среде и связь поля директора с5полем 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, зависящейот ориентации директора относительно направления скорости и градиентаскорости в потоке. Зависимость измеряемой вязкости от ориентации описываютсятремя реологическими параметрами – вязкостями Месовича, соответствующимитрем основным геометриям эксперимента и являющимися комбинациямикоэффициентов Лесли. Экспериментальное определение коэффициентов вязкостиМесовича является актуальной задачей физики жидких кристаллов, решениекоторойнеобходимодляпроверкиследствийтеоретическихмоделей,рассматривающих поведение жидкокристаллической среды в условиях, далеких отравновесия. Одним из традиционных способов решения указанной выше задачиявляется проведение реологических исследований объемных образцов ЖК, вприсутствии сильного магнитного поля, подавляющего ориентирующее действиеповерхностей и потока.

Однако, данный способ требует использования большогоколичества исследуемого вещества, что ограничивает область его применения.Альтернативный подход в реологических исследованиях связан с заменойстабилизирующего действия магнитного поля на ориентирующее воздействие состороны ограничивающих ЖК поверхностей в ЖК ячейках микронной толщины[1]. Это позволяет использовать в измерениях малые объемы жидкого кристалла(менее 1 мл), что крайне актуально для исследования вязкостных свойств вновьсинтезируемых ЖК.