Диссертация (1173423), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Гонконг. 29 ноября – 2 декабря 2014.8. Nanophotonics and Micro/Nano Optics International Conference 2016 (NANOP2016). Париж, Франция. 7-9 декабря 2016.119. X международная научная конференция «Кинетика и механизмкристаллизации. Кристаллизация и материалы нового поколения». Суздаль. 1-6июля 2018 г.Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 11научных работах. Из них 9 работ опубликовано в журналах, входящих в переченьВысшей аттестационной комиссии.Личный вклад автора.
Экспериментальные результаты, представленные вдиссертации, получены лично автором. Соавторы опубликованных работпринимали участие в постановке задач исследования и теоретическом анализеполученныхрезультатов.Целиизадачи,атакжеосновныевыводысформулированы совместно с научным руководителем.Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения,четырехглав,заключения,спискалитературы,2приложений.Объемдиссертационной работы составляет 144 страницы машинописного текста ивключает 50 иллюстраций, 13 таблиц, список литературы из 107 наименований.12Глава 1 Обзор результатов теоретических и экспериментальныхисследований реологических свойств жидких кристаллов1.1 Структура и классификация жидких кристалловПодтерминомконденсированных«жидкиесред,кристаллы»занимающихпонимаетсяпромежуточноеширокийположениеклассмеждукристаллами и изотропными жидкостями, отличающихся химическим строением имолекулярной структурой образующих их элементов.
По последнему признаку всежидкие кристаллы принято разделять на термотропные, образуемые из расплавоворганических соединений (при этом элементами являются молекулы веществ), илиотропные, формируемые в растворах органических соединений (при этомэлементами являются вытянутые цилиндрические мицеллы). Общим свойствомвсех жидких кристаллов является частичное нарушение дальнего порядка,присущего кристаллическим телам.
В зависимости от степени данного нарушенияпринято выделять отдельные жидкокристаллические фазы (нематическую фазу,холестерическую фазу и несколько типов смектических фаз). При этом в некоторыхобъектах возможно чередование фаз (полимезоморфизм) при измененииконцентрации растворенного вещества (для лиотропных ЖК) или температуры(для термотропных ЖК) [4].Простейшим примером жидких кристаллов являются нематические жидкиекристаллы (НЖК или нематики). В частности, термотропные НЖК отличаются отизотропных жидкостей наличием дальнего ориентационного порядка прихарактерной для жидкостей полной свободой перемещения центров тяжестиотдельных молекул в пространстве, (Рисунок 1, а).
Дальний ориентационныйпорядок НЖК характеризуется преимущественным направлением длинныхмолекулярных осей, описываемых единичным вектором n – директором, а такжестепенью ориентационного порядка:=#$3 cos $ θ − 1 ,(1.1)13определяющего среднее по ансамблю молекул угловое отклонение q направлениямолекулярных осей от директора. В идеальном кристалле S=1 или S=-1/2, тогда какв изотропной фазе S=0.
Для нематиков S может принимать в принципе всевозможные значения 1≥S≥-1/2. Однако для всех известных нематических фаз,образованных стержнеобразными молекулами, параметр порядка положителен(отрицательныйпараметрпорядкабудетсоответствоватьпочтиперпендикулярному расположению осей молекул относительно директора).Именно существование ориентационного порядка обуславливает анизотропиювсех физических свойств ЖК.Смектические структуры (за исключением смектика D) являются слоистымисредами, причем в слоях молекулы расположены так, что их длинные осипараллельны друг другу и приблизительно перпендикулярны плоскостям слоев(Рисунок 1, б) (для смектиков А) или наклонены относительно нормали назаданный угол (смектики С). Молекулы могут свободно двигаться в двухнаправлениях (в плоскости) и вращаться вокруг одной оси, т.е. помимоориентационного, характерен еще и одномерный трансляционный порядок.Молекулыхолестериковобразуютквазинематическийлокальныйориентационный порядок, при котором пространственное изменение направлениядиректора можно представить в виде спиральной структуры с шагом спирали P0(Рисунок 1.1, в).
Величина шага определяется молекулярным строением данногосоединения и может зависеть от термодинамических параметров (температуры идавления).Рисунок 1.1 – Симметрия ЖК фаз: а) нематическая, б) смектическая, в) холистерическая (Р0 – шагспирали).14В данной работе для исследования были выбраны НЖК, которые позволяютпри внешнем воздействии (например, при воздействии внешних электрических илимагнитных полей или задании поверхностной ориентации) создать однороднуюориентацию осей молекул по всему образцу в целом, получая таким образомжидкий монокристалл или образец монодомена. [5].
Ориентация молекул наповерхностихарактеризуетсядвумяпараметрами:среднимизначениямиполярного qs и азимутального js углов, задающих пространственное положениеповерхностного директора ns молекул. В общем случае, положение поверхностногодиректора отклоняется от положения «легкой оси» nе, т.е. предпочтительногонаправления,заданногосоответствующейобработкойповерхностииопределяемого углами q0 и j0, схематическое представление изображено наРисунке 1.2. Величина полярных qs-q0 и азимутальных js-j0 отклоненийповерхностного директора от направления легкой оси определяется толщиной ЖКслоя и соответствующими значениями Wq, Wj полярной и азимутальной энергийсцепления (Рисунок 1.2).
Различные типы ориентации характеризуются углом q0:гомеотропная (q0=0), планарная (q0=π/2) и твист (0 £q0 £p/2) [6,7].Рисунок 1.2 – Параметры ориентации ЖК: а) угол преднаклона – угол отклонения директорамолекулы относительно поверхности подложки; б) энергия сцепления [5].Энергия сцепления включает в себя две составляющие, соответствующиеотклонению директора n от поляной и азимутальной плоскостей:- полярную энергию сцепления# = /0 sin$ − 3$(1.2)15- азимутальную энергию сцепления# = 50 sin$ − 3(1.3)$1.2 Анизотропия физических свойств жидких кристалловЖидкие кристаллы представляют собой жидкости, в которых имеет местоопределенный порядок расположения молекул, как было сказано выше.
Врезультате существует анизотропия механических, электрических, магнитных иоптических свойств. В основе большинства конкретных жидкокристаллическихэлектрооптическихэффектовлежитпереориентациядиректоравмакроскопическом объеме материала под воздействием внешнего приложенногополя.Анизотропияэлектрическихсвойствсреды(диэлектрическойвосприимчивости и электропроводности) является причиной переориентациидиректора под действием электрического поля, тогда как динамика процесса такжезависит от вязкоупругих свойств и начальной ориентации директора относительнополя. Во всех известных электрооптических эффектах оптические свойства среды,такие как ее частичная оптическая анизотропия, изменяются в результатепереориентации директора (происходящей локально или по всему объему образца).Анизотропнаяформамолекулисуществованиеориентационнойупорядоченности определяют такие свойства, как двойное лучепреломление (Dn),диэлектрическую анизотропию (De) и анизотропию электропроводности (Ds),величины которых могут быть выражены следующим образом:∆ = ∥ − 9 , ∆ε = ε∥ − ε9 , ∆ = ∥ − 9 ,(1.4)где ∥ , 9 – показатели преломления, ε∥ , ε9 – диэлектрические постоянные, ∥ , 9 –электропроводимости,соответственно,измеренныеприпараллельнойиперпендикулярной ориентации длинных осей молекул относительно директора [8,9].
Сдвиговой вязкости, исследованию которой посвящена данная диссертация,также присуща высокая степень анизотропии (вязкость может изменяться внесколько раз при переориентации образца).16Следует отметить, что ∆ > 0 во всех известных нематических жидкихкристаллах в соответствии с анизотропией электрической поляризуемостимолекул. В то же время, анизотропия электропроводности является положительнойвеличиной (∆ > 0) в связи с положительным знаком анизотропии вязкости,определяющей анизотропию подвижности носителей заряда, т.е. для НЖКдвижение носителей заряда в направлении длинных осей молекул осуществляетсялегче. Диэлектрическая анизотропия ЖК может быть как положительна, так иотрицательна.
Это зависит от соотношения между анизотропией поляризуемостимолекулы и величиной постоянного дипольного момента, а также от угла y междудипольным моментом и длинной молекулярной осью. Положительная величина ∆характерна для молекул с продольным дипольным моментом (y ® 0°);∆ε < 0реализуется в тех случаях, когда угол y велик, например y ® 90°. На Рисунке 1.3представлена схема иллюстрирующая образование НЖК с положительной иотрицательной величинами∆.Рисунок 1.3 – Схема образования положительной ∆ε = εǁ − ε9 > 0 (а) и отрицательной ∆ε = εǁ −ε9 < 0 (б) величины диэлектрической анизотропии [9].1.3 Физические явления в потоках жидких кристалловНематическиежидкиекристаллырассматриваюткаканизотропныежидкости с тем же механизмом поступательных молекулярных движений, что и в17изотропных жидкостях. В этом случае такое свойство, как высокая текучесть,которое соответствует нулевому значению статических сдвиговых модулейупругости, одинаково в обоих случаях.
Однако, отмеченное выше наличиедальнегоориентационногопорядкавноситсущественныеизменениявгидродинамическое описание НЖК. В частности, в гидродинамические уравнениянеобходимо включить дополнительный векторный параметр – директор [10]. Связьмежду поступательными и ориентационными движениями, описываемымисоответственно в терминах поля скорости v(r,t) и поля директора n(r,t) можнорассматривать как фундаментальное физическое свойство жидких кристаллов. Онаотвечает за ряд специфических явлений, существующих в жидкокристаллическихсредах. Некоторые из них, такие как различные неустойчивости, индуцированныеэлектрическими полями в тонких слоях нематических жидких кристаллов илиэффектами обратного потока, возникающими при выключении электрическихполей, имеют большое практическое значение [11, 12].Связь между v(r,t) и n(r,t) также приводит к ряду линейных и нелинейныхявлений в потоках жидких кристаллов.
С точки зрения реологии [13, 14] жидкиекристаллы демонстрируют неньютоновское поведение. Это означает, например,что измеряемая сдвиговая вязкость зависит от скорости сдвига. В то же времясильныемагнитные(электрические)поляпозволяютстабилизироватьориентационную структуру. В тонких ЖК слоях правильная обработкаповерхноститакжеможетобеспечитьзаданнуюориентацию(например,планарную или гомеотропную (Глава 2)). Жидкий кристалл со стабилизированнойориентационной структурой можно рассматривать как обычную ньютоновскуюжидкость со сдвиговой вязкостью, определяемой направлением поля [10] илиповерхностнойориентацией.Такоереологическоеповедениенеобходимоучитывать при вискозиметрических исследованиях жидких кристаллов.В реологии жидких кристаллов обычно рассматриваются два основных типасдвиговых течений – поток Куэтта и поток Пуазейля.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
