WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ МОЛЕКУЛ И КРИСТАЛЛОВ УФИМСКОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

Тимиров Юлай Ильдарович

Структурные превращения в каплях нематохолестериков индуцированные электрическими полями

01.04.07 – Физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Уфа – 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте физики молекул и кристаллов Уфимского научного центра Российской академии наук

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор, Скалдин Олег Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор, Захлевных Александр Николаевич доктор физико-математических наук, профессор, Урманчеев Саид Федорович

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджет­ ное учреждение науки Институт про­ блем сверхпластичности металлов Рос­ сийской академии наук

Защита состоится « » 2012 г. в часов на заседании дис­ сертационного совета ДМ 002.099.01 в Федеральном государственном бюджет­ ном учреждении науки Институте физики молекул и кристаллов Уфимского научного центра Российской академии наук по адресу: 450075, г. Уфа, Про­ спект Октября 71, конференц-зал, тел/факс: 8(347)29214

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государ­ ственного бюджетного учреждения науки Института физики молекул и кри­ сталлов Уфимского научного центра Российской академии наук.

Автореферат разослан « » 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.ф.-м.н., Ломакин Г.С.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Экспериментальные исследования ориентационных эффектов и электрооптики жидких кристаллов (ЖК), с одной стороны имеют вполне конкретное практическое применение, в частности, системах отображе­ ния и обработки информации (ЖК-индикаторы, ЖК-дисплеи и т.д.), а с другой стороны, являются важными и с фундаментальной точки зрения. В частности, это касается вопросов симметрии образующегося надмолекулярного порядка в исследуемых диссипативных структурах и процессах генерации дефектов при наличии несимметричных граничных условий, что является в последние годы предметом активных исследований. Это связано, с одной стороны, с конеч­ ностью всех реальных систем, т.к. на мезоуровне поверхностная и объемная части энергии становятся сравнимыми. С другой стороны, неоднородное по пространству распределение молекулярной ориентации в ЖК и неравенство поверхностной энергии на границах плоского слоя, задающее дополнительную анизотропию надмолекулярного характера в объеме ЖК, могут приводить к реализации существенно иного типа неустойчивостей при внешнем воздей­ ствии, в частности, электрическое поле, по сравнению с обычным однород­ ным случаем, а также определить разнообразие динамических структур и их симметрию. Наряду с этим, физика образования, динамика и структура дефек­ тов упорядоченности структурных элементов и их симметрия традиционно являются одной из наиболее актуальных областей физики конденсированного состояния. В первую очередь это определяется влиянием и ролью дефектов в различного рода переходных процессах (фазовые, структурные превращения и т.д.).

Поэтому исследование роли симметрии анизотропных систем, а также состояние ЖК на границе раздела фаз в процессах образования надмолеку­ лярного порядка, в том числе и нестационарных структур, в электрическом поле и связи их симметрии с симметрией воздействующих факторов является весьма важной для понимания фундаментальных принципов формирования и динамики образования периодических макроструктур, сценариев развития ориентационных неустойчивостей во внешних полях, а также механизмов их разупорядочения.

Целью диссертационной работы является экспериментальное исследо­ вание особенностей ориентационных неустойчивостей и структурных превра­ щений в слоях и каплях нематохолестерических жидких кристаллов под дей­ ствием внешнего электрического поля: влияние границ и степени закрутки равновесного геликоида индуцированного холестерическими добавками.

Научная новизна 1. Развит экспериментальный метод определения шага спирали по крити­ ческому напряжению ориентационного перехода гомеотропная фаза – транс­ ляционно-инвариантная конфигурация (ТИК).

2. Обнаружен ряд периодических ориентационных процессов в каплях НХЖК индуцированных как внешним электрическим поле, так и размерами самих капель, а также и холестерическим допантом.

3. Показано, первое, что увеличение концентрации холестерического до­ панта (уменьшение P по сравнению с R) приводит к инициации ориентацион­ ного перехода развивающегося от сферической границы; второе – в нематохо­ лестерических каплях при P R в электрическом поле переход Фредерикса становится непрерывным, т.е. беспороговым; третье – симметрия образующих­ ся динамических структур не всегда определяется симметрией воздействую­ щего фактора и симметрией анизотропной среды.

Практическая значимость. Результаты, полученные в работе расширя­ ют существующие представления о влиянии на ориентационно-структурные превращения в слое НХЖК внешних факторов, таких как электрическое поле, энергия взаимодействия молекул НХЖК с подложкой. Представленные в дис­ сертации результаты, демонстрирующие электрооптические эффекты в кап­ лях НХЖК в зависимости от управляющих параметров (граничные условия, внешнее электрическое поле, шаг холестерической спирали, диаметр капель, толщина ЖК-слоя), являются основой для развития методов управления опти­ ческими свойствами НХЖК и создания систем отображения и преобразования информации.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Для определения равновесного шага спирали нематохолестерика по ориентационному переходу гомеотропная фаза – трансляционно-инвариантная конфигурация (ТИК) необходимо учитывать конечность энергии сцепления молекул ЖК с поверхностью.

2. Развивающийся электрооптический эффект локального вращения в кап­ лях НХЖК с P R обусловлен вращением центральной дисклинации, что приводит к распространению спиральной ориентационной волны вдоль ось капли.

3. Развивающийся электрооптический эффект локального вращения в кап­ лях НХЖК с P R обусловлен вращением центральной дисклинации, что приводит к распространению спиральной ориентационной волны вдоль ось капли.

4. Образование нестационарных спиральных структур в каплях немато­ холестерика при P R является следствием развития ЭГД неустойчивости и обусловлена относительным смещением зон Гранжана относительно друг друга.

Апробация работы. Основные результаты изложенные в диссертаци­ онной работы докладывались на XII, XIII, XIV, XV, XVII Всероссийской конференции “Структура и динамика молекулярных систем” (Йошкар-Ола, 2005-2010), Международной уфимской зимней школе-конференции по мате­ матике и физике для студентов, аспирантов и молодых ученых (Уфа, 2005), International Summer School on Liquid Crystal (Бондол, Франция, 2007), Первом международном междисципленарном симпозиуме “Физика низкоразменрных систем и поверхностей” (Ростов-на-Дону, 2008), 14 Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (Уфа, 2008), The 22nd International Liquid Crystal Conference (Джеджу, Корея, 2008), VII Междуна­ родной научной конференции (Иваново, 2009), The 14th International Topical Meeting on Optics of Liquid Crystals (Ереван, Амения, 2011), Всероссийской мо­ лодежной конференции “Мавлютовские чтения” (Уфа, 2011), Международной школе-конференции для студентов, аспирантов и молодых ученых «Фунда­ ментальная математика и ее приложения в естествознании» (Уфа, 2011).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 20 печатных ра­ ботах, из них 4 в рецензируемых журналах [1–4], 6 в сборниках трудов и материалов конференций [5–10] и 10 тезисов докладов [11–20].

Личный вклад автора заключается в совместной с научным руково­ дителем постановка задач, обсуждение и интерпретация результатов, приго­ товлении образцов с различной конфигурацией директора: планарной и го­ меотропной, создании ориентационных и прозрачных проводящих пленок на подложках с применение методов центрифугирования и магнетронного напы­ ления, проведении электрооптических исследований с применением методов поляризационно-оптической микроскопии, обработке экспериментальных ре­ зультатов, интерпретации и обобщении полученных данных, формулировке защищаемых положений и выводов, написании статей.

Автор выражает искреннюю благодарность О.А. Скалдину как научному руководителю, Н.Г. Мигранову и В.А. Делеву за полезные дискуссии, М.В.

Хазимуллину и Ю.А. Лебедеву за конструктивные замечания и плодотворное обсуждение результатов работы, а также всем коллегам лаборатории ФТТ за помощь и содействие в выполнении диссертационной работы.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введе­ ния, пяти глав, выводов и списка литературы из 151 наименования. Работа изложена на 145 страницах и содержит 63 иллюстраций.

Исследования, представленные в диссертационной работе, выполнялись в соответствии с темами НИР РАН (01.2.00600318, 01.2.00900728) и поддержи­ вались грантами РФФИ (05-02-16548 – 2007, 05-02-16716 – 2005, 05-02-979– 2007, 08-02-97008 – 2010), ГНТП РБ (3.2.1.7 – 2007, 55 – 2009) и грантом №Республики Башкортостан молодым ученым и молодежным научным коллек­ тивам (2011).

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована её цель и задачи исследования, показана научная новизна полученных результатов, обосновано научное и практическое значение работы, изложены положения, выносимые на защиту, и дана краткая характеристика материалов диссертации.

В первой главе приведен обзор литературных источников, в котором рас­ сматриваются общие сведения о ЖК и их свойствах. Описаны основные меха­ низмы и электрооптические эффекты, существующие в нематических жидких (НЖК) во внешних полях. Здесь же рассмотрены экспериментальные и теоре­ тические работы, посвященные ориентационным эффектам в нематохолесте­ рических смесях в зависимости от приложенного внешнего поля и граничных условий. Описаны наблюдаемые в каплях нематических жидких кристаллов ориентационные структуры и факторы, влияющие на их образование. Рас­ смотрены работы, показывающие ориентационно-структурные превращения индуцированные температурой, модификацией граничных условий, электри­ ческим полем и НЖК, заключенные в сферические оболочки (нематические оболочки).

Во второй главе изложены основные сведения о материалах, использу­ емых в качестве объекта исследования, методиках получения различных гра­ ничных условий и создания дисперсных систем капель НХЖК в изотропном окружении, методике определения и контроля воздушного зазора ЖК-ячеек, методиках определения шага НХЖК смеси, методике поляризационно-опти­ ческих исследований ЖК.

В третьей главе экспериментально и теоретически изучен ориентацион­ ный переход гомеотроп – (ТИК) в тонком слое индуцированное электрическим полем, на границах которого созданы мягкие гомеотропные условия сцепле­ ния.

Рассматривается ориентационный переход гомеотропное состояние – ТИК, а точнее критическое напряжение Uc перехода как функция степени обра­ ботки [3 - (триметоксисилил) пропил] октадеcил - диметиламмоний хлорид (DMOAP) подложки с ITO для смесей НХЖК со значениями равновесного шага спирали равного: P0.22% 54 мкм, P0.165% 72 мкм, P0.11% 108 мкм.

На рис. 1, а представлены зависимости критических напряжений от кон­ центрации DMOAP для трех различных смесей нематохолестериков со значе­ ниями P, отмеченными выше. Из рис. 1, а видно, что рост переходного напря­ жения Uc происходит с увеличением концентрации поверхностно-активного вещества (ПАВ) до 5 % DMOAP с последующим насыщением. Проведены расчеты величины шага спирали от порогового напряжения Uc перехода в ТИK по формуле (1), используя экспериментальную зависимость последнего (а) (б) Рис. 1. Зависимости порогового напряжения Uc для НХЖК с различными массовыми долями холестерилхлорида от концентрации DMOAP (а); зависимости расчетного шага спирали P по значении критического напряжения Uc от концентрации DMOAP (б).

от концентрации поверхностно-активного вещества DMOAP. Результаты рас­ четов представлены на рис. 1, б, как функция концентрации DMOAP. Показано, что выражение полученное для P от критического напряжения Uc перехода из гомеотропного состояния в ТИК [1, 2] не соответствует предельному случаю жесткого сцепления (Ws ).

2K22d P =, (1) Uc0aK33 + 2Kгде a – анизотропия диэлектрической проницаемости НХЖК, 0 – диэлек­ трическая постоянная, d – толщина слоя, K22 и K33 константы упругости для кручения и продольного изгиба соответственно.

Наблюдаемое при малых концентрациях DMOAP уменьшение значения шага спирали (рис. 1, б) является фиктивным и его фактически необходимо отнести на счет изменения энергии сцепления, которая не учитывается соот­ ношением (1).

Для подтверждения экспериментальных данных проведен теоретический анализ влияния энергии сцепления молекул НХЖК с подложкой на ориен­ тационный переход из холестерического гомеотропного состояния в ТИК. В одноконстантном приближении (K = K11 = K22 = K33) по аналогии с [3] по­ лучено выражение (2), позволяющее определить энергию сцепления молекул НХЖК с подложками ячейки в зависимости от концентрации DMOAP, для ориентационного перехода гомеотроп–ТИК.

2 42K2 a0Uc K d 42K2 a0Uc K Ws = - tg (2) 2K P2 - d2 , P2 dРис. 2. Зависимость энергии сцепления Ws Рис. 3. Зависимость порогового напряжения молекул смеси НХЖК от концентрации Uc от энергии сцепления W.

DMOAP.

На рис. 2 представлены зависимости энергии сцепления Ws от концентрации DMOAP. Установлен характер влияния энергии сцепления на пороговое напря­ жения перехода гомеотроп-ТИК и построена экспериментальная зависимость Uc(W).

Таким образом, показано, что пороговое напряжение перехода гомео­ троп–ТИК существенно зависит от энергия сцепления, что является важным для определения шага спирали.

В четвертой главе исследованы электрооптические эффекты и структур­ ные переходы в каплях нематохолестерика, индуцированные электрическим полем, хиральным допантом и границей.

(а). U = 0 В (б). U = 1.8 В (в). U = 2.4 В (г). U = 4.2 В Рис. 4. Последовательность ориентационных структур, образующихся при изменении внеш­ него электрического поля. Радиальная капля (а), твист-биполярная (б), капля с разрушенным дефектом (в), биполярная капля (г).

Здесь же представлены результаты экспериментальных исследований ква­ зиравновесных ориентационных структур, образующихся в каплях немато­ холестерика c большим шагом спирали P0.05% = 238 мкм, существующих в изотропном окружении в окрестности точки просветления. В результате срав­ нительного анализа текстурных картин НХЖК капель с существующими в НЖК [4] восстановлены соответствующие распределения поля директора и в зависимости от приложенного напряжения U.

Таким образом, на примере капель нематохолестерика проведен сравни­ тельный анализ обнаруженных стабильных конфигураций директора (рис. 4, а – 4, г). Представлена последовательность структурных превращений, плавно переходящих от радиальной к биполярной структуре при изменении управля­ ющего напряжения, приведенных на рис. 4.

В разделе 4.3 проведены исследования ориентационных превращений в каплях нематохолестерика, индуцированные хиральным допантом. Показано, что по мере увеличения концентрации относительный размер гомеотропной области уменьшается. Определен характер зависимости величины гомеотроп­ ной области от вариации шага спирали НХЖК (рис. 5).

Рис. 5. Зависимость относительной величины Ddh/Dd – диаметра гомеотропного ядра к диа­ метру капли от величины равновесного шага спирали P; пунктиром обозначен холестерик с бесконечным шагом спирали, т.е. нематик (МББА).

Из зависимости профиля оптического пропускания рассчитано распре­ деление фазовой задержки вдоль диаметра капли. Получены зависимости среднего квадрата синуса угла отклонения (рис. 6, а) директора от нормали вдоль радиуса капли. При различных текущих координатах , как параметра, получена зависимость < sin2 > от концентрации холестерика на произволь­ ных расстояниях от центра капли (рис. 6, б). Показано, что с увеличением концентрации в выбранных точках пространства капли среднее отклонение директора по вертикали растет, причем рост инициируется границей мезо­ фаза — изотропная фаза. Выявлен характер влияния граничных эффектов на ориентацию в объеме капли. Для этого построены зависимости размера гомео­ тропного ядра капли Ddh в виде функции размера капель Dd для различных концентраций холестерика. Анализ этих зависимостей показывает, что диа­ метр Ddh линейно зависит от размера капель Dd, а нормированная величина Ddh/Dd = tg() является постоянной и не зависит от размера капли. Последнее позволяет сделать вывод о том, что имеет место влияние не только границы, (а) (б) Рис. 6. Зависимость < sin2 > (r/Rd), вычисленная по материальным параметрам МББА [5] (а) для ряда значений шага спирали; < sin2 > (P) для ряда фиксированных значений параметра = r/Rd (б).

что является несомненным, но и наличие пространственно корреляционных длин характерных возмущений, определяемых величиной хиральной добав­ ки [6]. Построена фазовая диаграмма области существования капель с пере­ менным размером гомеотропного ядра в зависимости от концентрации допанта (рис. 7).

Рис. 7. Фазовая диаграмма, показывающая Рис. 8. Зависимости Ddh/Dd от приложен­ возможную область существования капель с ного напряжения для различных концентра­ гомеотропным ядром. ций C холестерического допанта c соот­ ветствующими P: (1) PMBBA = мкм; (2) P0.05% = 238 мкм; (3) P0.11% = 108 мкм; (4) P0.165% = 72 мкм; (5) P0.22% = 54 мкм.

В разделе 4.4, на примере НХЖК капель с шагом спирали P0.11% = 108 мкм, представлен результат исследования ориентационных превращений капель нематохолестерика, индуцированные электрическим полем. Проведен анализ последовательности текстур НХЖК-капель, наблюдаемых при увеличе­ нии приложенного электрического напряжения. На рис. 8 показано, что нали­ чие гомеотропного ядра в каплях с не нулевым содержанием холестерического допанта приводит к беспороговому переходу Фредерикса. Далее рассмотре­ на эволюция ориентационной деформации директора вдоль радиуса капли с увеличением приложенного напряжения. Для этого получено распределение фазовой задержки вдоль диаметра проходящего посередине между двумя изогирами и вычислено распределение < sin2 >, усредненного по координате z.

Таким образом в данном разделе показано, что наличие малых концентра­ ций холестерического допанта приводит к исчезновению порога Фредерикса и возникает ситуации, когда каждому напряжению соответствует своя равновес­ ная область деформации, локализованная в окрестности границы капли при сохранении гомеотропного ядра, размер которого, сублимируется с увеличе­ нием напряжения.

В пятой главе представлены результаты изучения нестационарных ори­ ентационных процессов, развивающихся при воздействии приложенного на­ пряжения выше порога динамической неустойчивости.

В разделе 5.1 приведена классификация этих структур в зависимости от размера капель и концентрации холестерического допанта.

a) Капли с шагом спирали 240 P 72 мкм и диаметром D 50 мкм.

(а) (б) (в) (г) (д) (е) (ж) (з) Рис. 9. Динамика дисклинационной линии в последовательные моменты времени для капли с D = 46 мкм и P0,05% = 238 мкм.

Первый тип капель с диаметром меньше 50 мкм характерезуется периоди­ ческим процессом рождения и “схлопывания” структурных стенок, представ­ ляющих с собой границу между областями с различной ориентацией директо­ ра (рис.9). Показано, что основной механизм данного процесса обусловлен появлением электроконвективных вихрей (ЭГД неустойчивость). Динамика структурных превращений при этом зависит от соотношения размеров кон­ вективных валов и радиуса капли. Для этих процессов получены зависимости циклической частоты от амплитуды и частоты приложенного напряжения.

(а) (б) Рис. 10. Изображение капли с дефектами в виде “клювиков” в электрическом поле Dd = 42 мкм (а); распределение поля директора биполярной капли (б).

Здесь же наблюдается еще один тип вращающихся капель (рис. 10, а). От­ личительной особенностью последних является возможность восстановления ориентации директора, в следствии однородного распределения директора в капле (рис. 10, б). Для этих капель получена зависимость пороговых напря­ жений инициации процесса вращения от холестерического допанта, а также зависимость циклической скорости вращения от приложенного напряжения U, которая является линейной.

б) Капли с шагом спирали 240 P 72 мкм и диаметром D > 50 мкм.

Структура таких капель определяется нали­ чием центрального линейного дефекта (рис. 11).

Для понимания динамики “вращения” в каплях в этом случае детально изучена динамика ори­ ентационных процессов в “опрокинутых” каплях большего размера, когда ось капли не перпенди­ кулярна плоскости образца (рис. 12, а), а лежит в Рис. 11. Капля с центральным плоскости слоя, как показано на рис. 12, б. Уста­ линейным дефектом.

новлено, что периодические осцилляции про­ светления связаны с вращением центрального де­ фекта (рис. 12, в), который генерирует ориентационные спиральные волны вдоль направления совпадающего с осью капли.

Для определения механизма данного процесса получены зависимости частоты вращения от приложенного напряжения U (рис. 13, а), а также геометрического фактора (размер капли D) и равновесного шага спирали P (рис. 13, б). Выявлен характер зависимости порогового напряжения Uth от диаметра капель D (рис. 13, б). Показано, что данная неустойчивость обуслов­ лена электроконвективным механизмом.

в) Капли с шагом спирали 72 P 54 мкм и диаметром D > 50 мкм.

(а) (б) (в) Рис. 12. Изображения капель НХЖК для смеси с шагом P0.165% = 72 мкм, где: (а) структура капли в виде “мальтийского креста”; (б) эта же капля с осью лежащей в плоскости образца (Dd = 121 мкм); (в) схема образования волн.

(а) (б) Рис. 13. Зависимость скорости вращения креста от приложенного напряжения при F = 50 Гц, где на вставке показано начало развивающейся ЭГД неустойчивости, относящийся к нелиней­ ному участку (а); зависимость порогового напряжения Uth от диаметра капли D и частоты вращения от диаметра капли D (при U = 8.5 В, F = 50 Гц) (б).

(а) (б) (в) (г) (д) (е) Рис. 14. Изображения циклического движения капель при напряжении U = 5.5 B (а)–(е).

Рис. 15. Последовательность фаз осцил­ Рис. 16. График зависимости времени пол­ ляций центрального дефекта (линии) для ного цикла T от приложенного напряжения НХЖК с шагом P0.475% = 25 мкм, при ча­ U двухлучевой полиструктуры, приведенно­ стоте приложенного напряжения F = 1 кГц го на рис. 15.

и диаметра капли Dd = 116 мкм (стрелками показано направление движения).

В данном диапазоне шага спирали обнаружены вращающиеся капли с од­ ним разрушенным буджумом [7], для которых определен период вращения как функция приложенного напряжения T(U) с учетом их радиусов (U). Путем анализа которых выявлено, что механизм данной неустойчивости является так­ же электроконвективным. При уменьшении шага спирали до P0.22% = 54 мкм в капле такого же размера динамика вращения дисклинационной линии транс­ формируется в процесс периодического распада буджума на два поверхност­ ных дефекта (рис. 14). Определены зависимости периода полного цикла дви­ жения дисклинационной линии от величины приложенного напряжения и ли­ нейные скорости движения с учетом диаметра капель.

В разделе 5.2 представлены результаты исследования структурных пре­ вращений в НХЖК каплях, диаметр D которых значительно больше как тол­ щины слоя d, так и равновесного шага спирали P.

Обнаружено, что с увеличением приложенного напряжения образуются различные полиструктуры с одним и более лучами в зависимости от диа­ метра капли. В частности, рассмотрен наиболее простой случай реализа­ ции полиструктур, двухлучевая нестационарная конфигурация типа “подковы” (рис. 15). Измерена зависимость времени полного цикла движения двухлуче­ вой конфигурации капли от приложенного напряжения U, которая представ­ лена на рис. 16. Исследована также релаксация поля директора от сложных конфигураций его распределения до равновесного состояния ориентационного поля капли, представленного на рис. 17. Обнаружено, что при переключении от напряжений, когда образуются полиструктуры, до напряжений выше по­ рога динамической неустойчивости объемный топологический заряд делится на два поверхностных дефекта с последующим их слиянием в один, который затем вновь переходит в объем. Показано,что времена распада (t) и слияния (t) существенно зависят от размера капель D и не вписываются, по поряд­ Рис. 17. Изображения последовательности промежуточных структур при скачкообраз­ ном изменении приложенного напряжения от 9.5 В до 5.5 В в разные моменты времени для капли с радиусом R = 62 мкм. (а) полиструк­ тура соответствующая напряжению 9.5 В; (б) структура капли после переключения напря­ жения до 5.5 В, где стрелками показано фор­ мирующиеся дефекты на границе; (б – е) рас­ хождение пары дефектов (стрелками указано крайнее положение пары дефектов); (ж – и) слияние; (к – м) переход поверхностных де­ фектов в объем.

ку величины, в обычную схему процесса ориентационной релаксации поля директора, время которой составляет порядка 1 с. При этом переход объ­ емного дефекта в центр достаточно хорошо согласуется с представлениями об ориентационной релаксации поля директора определяемой толщиной образца.

Раздел 5.3 посвящен изучению ориентационных превращений в каплях, когда равновесный шаг спирали P R радиуса капли.

Обнаружено, что при приложенном переменного напряжения образуются спиральные структуры как левоспиральные, так и правоспиральные (рис. 18), причем этот процеес является периодическим. Показано, что образование ле­ воспиральных структур связано с наличием в каплях надмолекулярной левос­ пиральной структуры и при распространении деформации по оси OZ ведет к левому вращению. В случае правовращающейся спирали следует подчерк­ нуть, что явная симметрия причин (симметрия НХЖК и поля) не влечет за собой однозначно симметрию вызываемых ими действий, то есть симметрия НХЖК /2, переменного электрического поля m · /m, а симметрия спираль­ ных структур 2/m.

Показано, что Объяснены причины образования левовинтовых и право­ винтовых спиральных структур с точки зрения феноменологической теории возникновения конической деформации ХЖК в полях [8]. Рассмотрены ос­ новные динамические характеристики описанных процессов в зависимости от (а) (б) (в) (г) (д) (е) (ж) (з) Рис. 18. Динамика текстур капель НХЖК с левой (а–г), где диаметр капли – DLh = 86 мкм, и правой (д–з) закруткой двухзаходных спиралей, с диаметром – DRh = 81 мкм, от зарождения до аннигиляции поверхностных дефектов, где P2.8% = 4 мкм.

(а) (б) (в) Рис. 19. Изображения капли в изотропном окружении и ее внутренней структуры в после­ довательные моменты времени: когда ось спирали перпендикулярна плоскости рисунка и электрическому полю соответственно – (а); под 45 C к электрическому полю – (б); когда ось спирали лежит в плоскости образца – (в).

величины приложенного напряжения. Приведены характерные зависимости частот вращения левых и правых спиралей, скорости сближения дефектов на поверхности капли, зависимости полного периода превращений спиральной структуры от зарождения до аннигиляции. Обсужден возможный механизм образования такого типа неустойчивости.

Электрооптика НХЖК капель в постоянном электрическом поле исследо­ вана в разделе 5.4. Обнаружено, что имеет место эффект вращения НХЖК­ капель с шагом спирали P R при приложенном постоянном напряжении U.

На рис. 19 изображена последовательность фаз вращения спирали в капле.

в основе механизма наблюдаемого эффекта лежит ЭГД-эффект, который возникает по причине присутствия в объеме капли заряженных примесей и сильного искривления ориентационного поля, особенно вблизи дефектов.

Установлено, что скорость вращения существенно зависит от приложенного напряжения U и волнового вектора q закрученности капли (рис. 20), которая также указывает на ЭГД-природу вращения капель.

Рис. 20. Зависимость скорости вращения капли от волнового вектора q0 = 2/P0 – невозму­ щенной спиральной структуры капли.

Основные результаты и выводы 1. Экспериментально изучен ориентационный переход гомеотроп-ТИК, ин­ дуцируемый внешним электрическим полем в слое нематохолестерика со слабыми граничными условиями. Получено выражение, определяющее зависимость порогового напряжения для перехода гомеотропная ориен­ тация – ТИК от энергии сцепления, толщины слоя жидкого кристалла и материальных параметров НХЖК. Показано, что измерение равно­ весного шага спирали нематохолестерика по пороговым напряжениям перехода гомеотроп-ТИК является адекватным только для предельного случая сильной энергии сцепления.

2. Обнаружено, что для капель с большим шагом спирали (P R) в за­ висимости от приложенного напряжения происходят изменения гранич­ ных условий, приводящие к трансформации ориентационного порядка.

Показано, что при увеличении напряжения имеет место ориентационно­ структурное превращение от аксиальной текстуры к биполярной конфи­ гурации. Проведен сравнительный анализ ориентационных структур с существующими в чисто нематических каплях.

3. Обнаружено, что с увеличением концентрации холестерической добавки в нематохолестерических каплях с гомеотропной начальной ориентаци­ ей имеет место беспороговый ориентационный переход, индуцируемый этой добавкой. При этом область деформационного поля растет от гра­ ницы ЖК-изотропная фаза с уменьшением гомеотропного ядра вплоть до его сублимации при критическом значении P R. Построена фазовая диаграмма существования капель НХЖК с гомеотропным ядром.

4. Установлено, что наличие условия P R приводит к исчезновению порога Фредерикса в электрическом поле и появлению ситуации, когда каждому напряжению соответствует своя равновесная область дефор­ мации, локализованная в окрестности границы капли при сохранении гомеотропного ядра, размер которого сублимируется с увеличением при­ ложенного напряжения. Последнее позволяет сделать вывод об эквива­ лентности действия электрического поля и холестерических добавок для случая капель с начальной гомеотропной ориентацией молекул и гранич­ ными условиями, когда ЖК область контактирует с твердыми границами.

5. Исследована динамика дефектов, их взаимное превращение и аннигиля­ ция в каплях нематохолестерической смеси, находящихся в изотропном окружении при действии квазистатических электрических полей, для случая, когда P R. Показано, что имеет место ситуация, когда явная симметрия причин (НХЖК и поля) не влечет однозначно за собой соот­ ветствующую симметрию индуцируемых структур и механических про­ цессов, то есть группа симметрии динамических спиральных структур 2/m не является подгруппой пересечения групп симметрии нематохоле­ стерика /2 и электрического поля m/m.

6. Обнаружен эффект вращения НХЖК-капель в постоянном электриче­ ском поле для P R. Установлено, что процесс вращения холестериче­ ских капель имеет в своей основе ЭГД-эффект Карра—Хелфриха. Слож­ ная ориентационная структура капли обусловливает нетривиальную кар­ тину течений жидкости внутри капли, которая обеспечивает появление ненулевого среднего значения азимутальной скорости потока.

Список публикаций [1] Тимиров, Ю. И. Электрооптика немато-холестерических капель в посто­ янном электрическом поле / Ю. И. Тимиров, О. С. Тарасов, О. А. Скал­ дин // Письма в ЖТФ. — 2007. — Т. 33. — С. 55–61.

[2] Делев, В. А. Эффект пространственно-временной синхронизации домен­ ных осцилляций в системе электроконвекции нематических жидких кри­ сталлов / В. А. Делев, О. А. Скалдин, Ю. И. Тимиров // Письма в ЖТФ. — 2009. — Т. 35. — С. 49–57.

[3] Скалдин, О. А. О возможности нарушения принципа кюри-неймана в анизотропных средах с дисимметрией / О. А. Скалдин, Ю. И. Тимиров // Письма в ЖЭТФ. — 2009. — Т. 90. — С. 699–703.

[4] Скалдин, О. А. О влиянии энергии сцепления на определение шага спи­ рали / О. А. Скалдин, Ю. И. Тимиров, Ю. А. Лебедев // Письма в ЖТФ. — 2010. — Т. 36. — С. 23–30.

[5] Тимиров, Ю. И. Динамика надмолекулярного порядка в нематохолесте­ рических каплях в электрическом поле / Ю. И. Тимиров, Н. Г. Мигра­ нов, О. А. Скалдин // Сборник статей XII Всероссийской конференции. — Йошкар-Ола: МарГТУ, 2005. — С. 237–239.

[6] Тимиров, Ю. И. Периодические преобразования дефектов в каплях нема­ тохолестерического жидкого кристалла в электрических полях / Ю. И. Ти­ миров, А. Н. Чувыров, О. А. Скалдин // Сборник статей XV Всероссий­ ской конференции. — Йошкар-Ола: МарГТУ, 2008. — С. 105–109.

[7] Генерация и распад дефектов в нематохолестерических каплях в электри­ ческом поле / Ю. И. Тимиров, А. Н. Чувыров, О. А. Скалдин и др. // Труды Первого междунар. междисципл. симпозиума, Ростов-на-Дону, 2008. — Ростов-на-Дону: СКНЦ ВШ ЮФУ АПСН, 2008. — С. 304–307.

[8] Гареева, Е. Р. Структура капель с большим шагом спирали / Е. Р. Гареева, Ю. И. Тимиров, О. А. Скалдин // Международная школа-конференция для студентов, аспирантов и молодых ученых «Фундаментальная математика и ее приложения в естествознании»: Сб. трудов. — Уфа: РИО БашГУ, 2011. — С. 36–41.

[9] Тимиров, Ю. И. Индуцируемые электрическим полем структурные пре­ вращения в каплях нхжк с малой концентрацией холестерика / Ю. И. Ти­ миров, О. А. Скалдин // Мавлютовские чтения: Всероссийская молодеж­ ная конференция: сб. тр. в 5 т. Том 5. — Уфа: УГАТУ, 2011. — С. 288.

[10] Тимиров, Ю. И. Индуцируемые электрическим полем структурные пре­ вращения в каплях нхжк с большой концентрацией холестерического до­ панта / Ю. И. Тимиров, О. А. Скалдин // Мавлютовские чтения: Всерос­ сийская молодежная конференция: сб. тр. в 5 т. Том 5. — Уфа: УГАТУ, 2011. — С. 289.

[11] Тимиров, Ю. И. Электрооптика хиральных капель в постоянном электри­ ческом поле / Ю. И. Тимиров, Н. Г. Мигранов, О. А. Скалдин // Междунар.

уфимская зимняя школа-конф. по матем. и физике для студентов, аспи­ рантов и молодых ученых: Тезисы докладов. — Уфа: РИО БашГУ, 2005. — С. 146.

[12] Тимиров, Ю. И. Ориентационные превращения в нематохолестерических каплях индуцируемые электрическими полями / Ю. И. Тимиров, Н. Г. Ми­ гранов, О. А. Скалдин // Сборник тезисов докладов и сообщений на XIV Всероссийской конференции. — Казань: КГУ, 2007. — С. 232.

[13] Тимиров, Ю. И. Периодические преобразования дефектов и их аннигиля­ ция в каплях нематохолестерического жидкого кристалла в электрических полях / Ю. И. Тимиров // Сборник тезисов, материалы 14 Всеросс. науч.

конф. студентов-физиков и молодых ученых. — Уфа: АСФ, 2008. — С. 151.

[14] Тимиров, Ю. И. Вейвлет анализ структурных дефектов в системе элек­ троконвекции закрученных нематиков / Ю. И. Тимиров, В. А. Делев // Сборник тезисов, материалы 14 Всеросс. науч. конф. студентов-физиков и молодых ученых. — Уфа: АСФ, 2008. — С. 151.

[15] Timirov, Y. I. Periodical transformations of defects and their annihilation in droplets of chiral nematic liquid crystal in electric fields / Y. I. Timirov, A. N. Chuvyrov, O. A. Scaldin // Abs. of The 22 International conference on liquid crystals, Jeju, Korea. — 2008. — P. 1015.

[16] Индуцируемые электрическим полем структурные превращения в каплях нхжк с большой концентрацией холестерического допанта / Ю. И. Ти­ миров, В. А. Делев, Ю. А. Лебедев, О. А. Скалдин // Материалы VII Международной научной конференции. — Иваново: ИвГУ, 2009. — С. 155.

[17] Делев, В. А. Синхронизация доменных автоосциляторов при электрокон­ векции в нжк / В. А. Делев, Ю. И. Тимиров, О. А. Скалдин // Материалы VII Международной научной конференции. — Иваново: ИвГУ, 2009. — С. 117.

[18] Тимиров, Ю. И. Ориентационное вращение нематохолестерических ка­ пель в постоянном электрическом поле / Ю. И. Тимиров, Н. Г. Мигранов, О. А. Скалдин // Международная школа-конференция для студентов, аспи­ рантов и молодых ученых: Тезисы докладов. — Уфа: Рио БашГУ, 2009. — С. 148.

[19] Тимиров, Ю. И. Неустойчивости и структурные превращения, индуцируе­ мые электрическим полем, в каплях нематохолестерика / Ю. И. Тимиров, О. А. Скалдин // Сборник тезисов докладов и сообщений на XVII Всерос.

Конф. — Уфа: ИФМК УНЦ РАН, 2010. — С. 195.

[20] Timirov, Y. I. Director dynamics in nematocholesteric droplets in ac electric field / Y. I. Timirov, O. A. Scaldin // Abs. of The 14th International Topical Meeting on Optics of Liquid Crystals. — Yerevan: YSU, 2011. — P. 47.

Цитированная литература 1. Crandall K. A., Fisch M. R., Petschek R. G., Rosenblatt C. Vanishing Freeder­ icksz transition threshold voltage in a chiral nematic liquid crystal // Appl. Phys.

Lett. 1994. Vol. 64. Pp. 1741–1743.

2. Smalyukh I. I., Senyuk B. I., Palffy-Muhoray P. et al. Electric-field-in­ duced nematic-cholesteric transition and three-dimensional director structures in homeotropic cells // Phys. Rev. E. 2005. Vol. 72. P. 061707.

3. Захлевных А. Н., Шавкунов В. С. О переходе холестерик–нематик в пленках при наличии вырождения оси легкого ориентирования // Вестник ПГУ. Сер.

Физика. 2000. Т. 6. С. 50–58.

4. Сутормин В. С., Крахалев М. Н., Прищепа О. О. Температурно индуциро­ ванные изменения конфигурации директора в каплях нематика, дисперги­ рованного в поливинилпирролидоне // Журнал СФУ. Математика и физика.

2009. Т. 2. С. 352–359.

5. Chang R. The anisotropic refractive indices of aligned MBBA liquid crystal films // Mol. Cryst. Liq. Cryst. 1974. Vol. 28. Pp. 1–8.

6. Беляков В. А., Сонин А. С. Оптика холестерических жидких кристаллов.

М.: Наука, 1982. С. 360.

7. Воловик Г. Е., Лаврентович О. Д. Топологическая динамика дефектов: буд­ жумы в каплях нематика // ЖЭТФ. 1983. Т. 85, № 6. С. 1997–2010.

8. Leslie F. M. Some Thermal Effects in Cholesteric Liquid Crystals // Proc. Roy.

Soc. A. 1968. Vol. 307, no. 1490. Pp. 359–372.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.