WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Третья глава содержит результаты исследования трансформации ориентационных структур капсулированных полимером капель нематика, соответствующих прямому режиму эффекта ионной модификации граничных условий. В основе данного метода лежит зависимость ориентации ЖК от концентрации сурфактанта на поверхности полимера.

Использование ионного сурфактанта дает возможность, приложив постоянное электрическое поле, изменять его концентрацию на участках межфазной границы и, следовательно, управлять условиями сцепления жидкого кристалла с полимерной матрицей. Прямым назван режим эффекта, когда изначально граничные условия задаются полимером, а при воздействии постоянного электрического поля появляется участок границы с локально высоким содержанием сурфактанта, который и определяет новую ориентацию ЖК. Такой вариант был нами реализован при концентрации ионообразующего сурфактанта ЦТАБ 0.75% 1% по весу по отношению к ЖК. При этом в каплях изначально формировалась биполярная конфигурация директора (рис. 1, первый и третий ряды), характерная для тангенциальных граничных условий. Под действием управляющего импульса электрического поля на части границы капли, находящейся ближе к катоду, происходит изменение граничных условий на нормальные (гомеотропные), что влечет за собой трансформацию ориентационной структуры капли, характер которой зависит от взаимного расположения биполярной оси и направления электрического поля.

Воздействие поля вдоль биполярной оси капли нематика 5ЦБ, капсулированной в ПВБ, приводит к трансформации исходной биполярной конфигурации в монополярную структуру с одним точечным поверхностным дефектом – буджумом (рис. 1 а, б, первый и второй ряды). Результирующая конфигурация директора характеризуется наличием неоднородных граничных условий с тангенциальным сцеплением примерно на 0.7 части поверхности капли ЖК и нормальным сцеплением на 0.1 части поверхности. Между ними формируется наклонное сцепление с плавным изменением угла наклона от 900 до 0 по отношению к нормали к поверхности. Для таких же граничных условий нами был проведен численный расчет ориентационной структуры и соответствующей ей оптической текстуры (рис. 1 в, г, второй ряд). Рассчитанная текстурная картина в геометрии скрещенных поляризаторов хорошо согласуется с фотографией капли нематика, подтверждая корректность проведенного выше анализа экспериментальных данных.

Рис. 1. Микрофотографии капель нематика 5ЦБ, сделанные с выключенным анализатором (а) и в скрещенных поляризаторах (б), в матрицах ПВБ (первый и второй ряды) и ПВС (третий и четвертый ряды). Рассчитанные ориентационные структуры (в) и соответствующие оптические текстуры в геометрии скрещенных поляризаторов (г).

Верхний и третий ряды – однородные тангенциальные граничные условия, второй и четвертый – неоднородные граничные условия.

В отличие от вышеописанного случая, в каплях нематика, диспергированного в ПВС, под действием постоянного электрического поля нормальное сцепление формируется примерно на 0.35 части поверхности, а на остальной границе сохраняются тангенциальные граничные условия (рис. 1 а, б, третий и четвертый ряды). Переход между участками с различными условиями сцепления происходит резко, что позволяет говорить о формировании здесь несингулярного кольцевого дефекта. Расчет ориентационной структуры и оптической текстуры для этого случая распределения граничных условий представлен на рис. 1 в, г (четвертый ряд).

Рис. 2. Микрофотографии капли нематика 5ЦБ под действием постоянного электрического поля, сделанные с выключенным анализатором (левый столбец), в скрещенных поляризаторах (средний столбец), и соответствующие ориентационные структуры (правый столбец). а) Наклонная монополярная структура в ПВБ; б) биполярная конфигурация капли в ПВС с линейным и поверхностным кольцевым дефектами; в) биполярная конфигурация капли в ПВС с кольцеобразным поверхностным дефектом. Квадратами показаны сечения кольцевого и линейного дефектов.

Если электрическое поле направлено под наклоном или перпендикулярно к биполярной оси, то в конечном итоге формируются более сложные ориентационные структуры (рис. 2). В пленке ПВБ наблюдался переход из биполярной структуры в наклонную монополярную конфигурацию капли, если электрическое поле было неортогонально биполярной оси (рис. 2 а). В пленке ПВС трансформация биполярной конфигурации капли может проходить по двум сценариям, приводя в результате к формированию двух различных ориентационных структур. В первом случае в биполярной структуре образуются дополнительно кольцевой поверхностный дефект и линейный приповерхностный дефект (рис. 2 б). Кольцевой дефект разделяет на поверхности участки с тангенциальным и планарным сцеплениями.

Плоскость кольца перпендикулярна плоскости рисунка, поэтому он проявляется в виде темной горизонтальной полосы в верхней части капли (рис. 2 б, левый столбец). Темное пятно выше полосы отображает линейный дефект, направленный ортогонально плоскости рисунка. Во втором случае (рис. 2 в) в биполярной структуре формируется дополнительно лишь кольцеобразный поверхностный дефект.

Доля модифицированной границы и, как следствие, ориентационная структура капли зависят от величины поля, что продемонстрировано на рис. 3 для случая, когда поле направленно вдоль биполярной оси.

Рис. 3. Микрофотографии капли нематика в ПВС под действием поля, сделанные с выключенным анализатором (левый столбец) и в скрещенных поляризаторах (средний столбец), и соответствующие ориентационные структуры (правый столбец). а) Е 0.006 В/мкм; б) Е = 0.009 В/мкм; в) Е = 0.017 В/мкм; г) Е 0.029 В/мкм.

Видно, что не происходит изменений граничных условий, если напряженность электрического поля Е 0.006 В/мкм (рис. 3 а). При напряженности поля в диапазоне 0.006 < Е 0.011 В/мкм на части поверхности капли (~ 0.1 0.15) формируются наклонные граничные условия (рис. 3 б), при этом сохраняются оба поверхностных точечных дефекта. Дальнейшее увеличение напряжения приводит к разрушению одного из буджумов и формированию на участке границы гомеотропного сцепления. При этом доля гомеотропной поверхности увеличивается с ростом Е в диапазоне от 0.014 до 0.029 В/мкм. В области Е 0.029 В/мкм процесс выходит на насыщение (рис. 3 в – г). Таким образом, можно говорить о том, что для электроуправляемой ионной модификации поверхностного сцепления имеется пороговое управляющее напряжение, меньше которого изменения не происходят, а так же напряжение насыщения, выше которого ориентационная структура не зависит от величины поля.

Четвертая глава содержит результаты исследования трансформации ориентационных структур капсулированных полимером капель нематика, управляемых ионно-сурфактантным методом в инверсном режиме. В этом случае изначально поверхностное сцепление задается ионным сурфактантом за счет его достаточно высокой концентрации. В постоянном электрическом поле поверхностно активные ионы освобождают часть границы, где восстанавливаются граничные условия, характерные для полимера.

Данный режим был нами реализован для композитных ЖК материалов на основе ПВС, пластифицированного глицерином. Количество сурфактанта ЦТАБ бралось от 2% до 10% по весу по отношению к ЖК. При такой концентрации сурфактанта изначально в каплях образуется радиальная конфигурация, характерная для нормального (гомеотропного) поверхностного сцепления. Под действием поля на части границы, освобожденной от ионов ЦТА+, формируются тангенциальные условия сцепления, которые задает полимерная стенка. Изменение межфазной границы приводит к существенной трансформации ориентационной структуры, которая может протекать по трем различным сценариям, приводя к формированию трех ориентационных структур, отличающихся азимутальным распределением поля директора на границе капли с тангенциальным сцеплением.

Первый сценарий трансформации завершается формированием структуры, имеющей поверхностные точечный дефект – буджум и кольцевой дефект, отделяющий области с тангенциальным и нормальным сцеплением (рис. 4, верхний ряд). Во втором сценарии исходная радиальная конфигурация переходит в структуру, имеющую буджум, поверхностный кольцевой дефект и точечный объемный дефект – еж, который располагается в плоскости кольца (рис. 4, средний ряд). В третьем случае происходит формирование структуры, имеющей объемный дефект – еж и кольцеобразный поверхностный дефект. При этом еж смещается из центра капли к границе, но не доходит до нее (рис. 4, нижний ряд).

Все три сценария трансформации могут происходить в одной и той же капле. Одними из основных факторов, влияющих на вероятность реализации того или иного сценария, являются размер и форма капли. Так, например, в каплях круглой формы с диаметром от 7 до 30 мкм в большинстве случаев формируются конфигурации с ежом и кольцеобразным дефектом, в то время, как для вытянутых капель в том же размерном диапазоне наиболее вероятны переходы радиальная конфигурация – монополярная структура с кольцевым дефектом, если поле направлено перпендикулярно длинной оси капли, и радиальная конфигурация – структура с ежом, буджумом и кольцевым дефектом, когда поле параллельно длинной оси капли. Если диаметр капли менее 4 мкм, то последний вариант встречается очень редко или не наблюдается вовсе.

Рис. 4. Микрофотографии капель нематика, сделанные с выключенным анализатором (а) и в скрещенных поляризаторах (б). Рассчитанные ориентационные структуры (в) и соответствующие оптические текстуры в геометрии скрещенных поляризаторов (г). Верхний ряд – структура с буджумом и кольцевым поверхностным дефектом; средний ряд – структура с буджумом, ежом и кольцевым поверхностным дефектом; нижний ряд – структура с ежом и кольцеобразным дефектом.

Ионная модификация поверхностного сцепления для управления ориентационной структурой ЖК была нами также апробирована и для нематика МББА, имеющего диэлектрическую анизотропию < 0. Как и для 5ЦБ, имеющего > 0, для МББА могут быть реализованы прямой и инверсный режимы эффекта ионной модификации межфазной границы. При этом наблюдаемые ориентационно-структурные превращения в каплях МББА аналогичны описанным выше для случая 5ЦБ. Это свидетельствует о том, что данные трансформации обусловлены только локальным изменением граничных условий и не являются следствием воздействия внешнего электрического поля на объем ЖК в капле, которое принципиально различается для ЖК с разным знаком.

Трансформация ориентационной структуры капель вследствие модификации граничных условий должна приводить и к изменению макроскопических оптических характеристик КПЖК пленок, например, светопропускания, что и было нами продемонстрировано в конце главы. На рис. 5 представлена осциллограмма оптического отклика КПЖК пленки на монополярный импульс электрического поля.

Рис. 5. Динамика электрооптического отклика КПЖК пленки при управлении ионно-сурфактантным методом.

Напряженность управляющего электрического поля Е = 0.06 В/мкм.

График показывает, что в исходном состоянии светопропускание пленки в прямом направлении для нормально падающего лазерного излучения составляет 77%. Приложение электрического поля напряженностью Е = 0.06 В/мкм приводит к уменьшению светопропускания пленки на 24%. При этом время включения (по уровню 0.9) составляет вкл = 25 сек. После выключения электрического поля оптические характеристики пленки восстанавливаются за время выкл = 15 сек (по уровню 0.1).

РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ 1. Предложен и на примере капсулированных полимером нематических жидких кристаллов, допированных ионными сурфактантами, реализован новый метод управления ориентацией жидких кристаллов. Метод основан на модификации поверхностного сцепления жидких кристаллов с полимерной матрицей, происходящей за счет формирования, либо разрушения монослоя ионных сурфактантов при воздействии электрического поля.

2. Изготовлены тестовые образцы композитных пленок, определена критическая концентрация используемых ионных сурфактантов, ниже которой в исходном состоянии реализуется однородное тангенциальное поверхностное сцепление, а выше – однородное гомеотропное сцепление. Обнаружено, что ионная модификация граничных условий в зависимости от концентрации сурфактантов может происходить как в прямом, так и в инверсном режимах.

3. Прямой режим реализуется при концентрации ионного сурфактанта ниже критической. При этом в исходном состоянии капли нематика имеют биполярную конфигурацию директора. При воздействии постоянного электрического поля в зависимости от его направления относительно биполярной оси могут сформироваться:

монополярная конфигурация; наклонная монополярная конфигурация; монополярная конфигурация с кольцевым поверхностным дефектом, биполярная структура с линейным и кольцевым поверхностным дефектами;

биполярная структура с кольцеобразным поверхностным дефектом.

4. Инверсный режим реализуется при концентрации ионного сурфактанта выше критической. В этом случае исходной структурой капель нематика является радиальная конфигурация директора. Под действием поля возможно образование: структуры с буджумом и поверхностным кольцевым дефектом; структуры с буджумом, ежом и поверхностным кольцевым дефектом; структуры с ежом и поверхностным кольцеобразным дефектом.

5. Процесс трансформации ориентационных структур имеет пороговый характер, а при достижении определенной величины электрического поля выходит на насыщение. Систематизированы оптические текстуры и соответствующие конфигурации директора, сопровождающие ориентационно-структурные превращения в каплях нематика.

6. На примере одного из образцов исследуемого материала продемонстрирована возможность использования данного эффекта для модуляции интенсивности проходящего светового излучения.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Зырянов В.Я., Крахалев М.Н., Прищепа О.О., Шабанов А.В. Ориентационно-структурные превращения в каплях нематика, обусловленные ионной модификацией межфазной границы под действием электрического поля // Письма в ЖЭТФ. – 2007. – Т.86, Вып. 6. – С. 440–445.

2. Zyryanov V.Ya., Krakhalev M.N., Prishchepa O.O. Texture Transformation in Nematic Droplets Caused by Ionic Modification of Boundary Conditions // Mol. Cryst. Liq. Cryst. – 2008. – Vol. 489. – P. 273/[599]–279/[605].

3. Крахалев М.Н., Прищепа О.О., Зырянов В.Я., Лойко В.А., Шабанов А.В. Электроуправляемое поверхностное сцепление в КПЖК пленках // Доклады Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники – 2008. – №5 (35). – С. 138–140.

4. Зырянов В.Я., Крахалев М.Н., Прищепа О.О., Шабанов А.В. Инверсная мода эффекта ионной модификации поверхностного сцепления в каплях нематика // Письма в ЖЭТФ. – 2008. – Т.88, Вып. 9. – С. 688–692.

Pages:     | 1 || 3 |






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