Введение к работе
Актуальность темы. Исследование динамики образования и эволюции диссипативных структур (ДС) в системах с дальним трансляционным (ориентационным) порядком относится к современным проблемам ФТТ, имеющим фундаментальные и прикладные аспекты. Существующие методы теоретического описания динамики самоорганизации при структурных превращениях (СП) применимы в основном к модельным и низкоразмерным системам с ограниченным числом степе^ ней свободы (малыми аспектными отношениями) [1]. Актуальной задачей является разработка и реализация экспериментальных методов исследования динамики диссипативных структур и неравновесных фазовых переходов (ФП) в реальной твердотельной (ТТ) системе с распределенными параметрами. В этой связи представляет интерес акустоэмис-сионная (АЭ) спектроскопия, основанная на регистрации волн упругих напряжений, возникающих при динамических локальных изменениях структуры ТТ, и анализе взаимосвязи потока импульсов АЭ с механизмом и кинетикой движения линейных дефектов, доменных и межфазных границ.
Перспективным объектом для изучения динамики ДС и границы раздела фаз (ГРФ) в широком интервале аспектных отношений являются жидкокристаллические (ЖК) системы с дальним ориентационным порядком, которые обнаруживают при СП разнообразные ДС с детально описанной морфокинетикой и обладают развитым термотроп-ным полиморфизмом. Природа АЭ и условия ее проявления в мезо-генах исследованы недостаточно, сведения об АЭ-активносга жидкокристаллических ДС отсутствуют. Имеющиеся экспериментальные данные указывают на корреляцию величины АЭ-эффекта с динамикой топологических дефектов, образующихся при изменении симметрии области вырождения параметра порядка в условиях СП [2]. Аналитические возможности метода АЭ для изучения динамики самоорганизации ЖК лимитируются регистрацией ограниченного набора малоинформативных параметров потока событий АЭ и неучетом стохастических свойств последнего.
Цель работы. Экспериментальное исследование АЭ-активности жидких кристаллов при СП в широком интервале аспектных отношений и изучение стохастической динамики возникающих ДС и межфазных границ на основе анализа статистических свойств порождаемого ими случайного потока импульсов акустического излучения. При этом решались следующие задачи:
1. Создание экспериментального комплекса, обеспечивающего одновременную регистрацию параметров АЭ и оптико-морфологических
характеристик ДС и межфазных границ. 2. Исследование условий проявления АЭ-эффекта при образовании и эволюции ДС в электрическом поле. 3. Установление взаимосвязи частотных и амплитудно-временных параметров АЭ с морфокинетикой и хаотической динамикой стационарных ДС и переходов между ними. 4. Обнаружение акустического излучения и выявление корреляции АЭ-потока с осцилляциями линейной скорости роста межфазной границы ЖК-ТК. 5. Изучение зависимости АЭ-отклика от характеристик дислокационной структуры и описание на этой основе фрактальной динамики ГРФ.
Научная новизна. 1. Обнаружено, что образование и эволюция ДС при электроконвективной неустойчивости (ЭКН) в ЖК-системе с большим аспектным отношением, а также нестационарный рост единичного ТК-сферолита, отвечающий ячейке с эффективно малым аспектным отношением, сопровождаются генерацией низкочастотного акустического излучения. 2. Установлена взаимосвязь амплитудных, частотных, временных и спектрально-корреляционных параметров, а также статистических характеристик потока импульсов АЭ с морфологией стационарной ДС и дислокационной структуры ГРФ. 3. Обоснована принципиальная возможность описания хаотической динамики фронта превращения, связанной с движением ДС или межфазной границы, в пространстве параметров возникающего при этом акустического излучения. 4. На основе расчета стохастических критериев по зависимости АЭ-наблюдаемой от степени надкритичности сделан вывод, что состояние динамической системы при ЭКН и росте единичного ТК-сферолита характеризуется как детерминированный хаос, образом которого в пространстве динамических переменных является низкоразмерный странный аттрактор. 5. Показано, что параметры фрактальной структуры аттрактора, восстановленные по временным рядам активности АЭ, при переходах между ДС претерпевают нелинейные и гистерезисные изменения, имеющие признаки интермиттенса типа "хаос-хаос". 6. В рамках указанного подхода впервые определены стохастические характеристики мультифрактальной динамики свободного роста единичного сферолита.
Практическая ценность. Развитый в работе АЭ-метод исследования структурных превращений в ЖК и полученные экспериментальные результаты создают основу для последовательного описания динамики ДС в реальной ЖК-системе с большим аспектным отношением. 1. Предложены способы регистрации ряда помехоустойчивых параметров, а также интегральных статистических характеристик потока импульсов АЭ (активность, амплитудные и временные распределения, центральные моменты высших порядков). 2. Реализован алгоритм
количественных оценок стохастических критериев (корреляционной размерности, показателей Ляпунова и Херста, степени стохасткчнос-ти), описывающих хаотическую динамику структурных превращений в ЖК. 3. Установлена корреляция между типом диссипативных структур и значением соответствующих им статистических и стохастических параметров АЭ, открывающая возможность идентификации сценариев самоорганизации в ТТ-системе по данным АЭ.
Автор защищает: 1. Программно-схемное обеспечение методики совместного анализа оптико-морфологических и акустоэмиссионых параметров, связанных с хаотической динамикой ДС в мезогеннои среде. 2. Результаты экспериментального изучения условий проявления, природы и статистических характеристик АЭ-эффекта при нестационарном движении ДС и межфазных границ в условиях СП. 3. Установленную взаимосвязь параметров акустического излучения с типом, морфологией и динамикой стационарных ДС, а также термокинетикой роста единичного сферолита. 4. Способ описания хаотической динамики фронта СП по временным реализациям активности АЭ, сделанные на этой основе выводы о сценарии перехода между ДС через интермит-тенс "хаос-хаос" и мультифракталъном характере динамики ГРФ.
Апробация работы. Результаты диссертации представлены на II, III и IV Всероссийских физических конференциях молодых ученых (Заречный, 1994, 1995, 1996), VIII Всероссийской конференции по структуре и свойствам расплавов (Екатеринбург, 1994), XVI международной конференции по ЖК (USA, Kent, 1996), Всероссийской научной конференции по химии твердого тела (Екатеринбург, 1996). Основное содержание изложено в 10 публикациях.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы и приложения; содержит 148 страниц, включая 47 рисунков, 8 таблиц и библиографию из 103 наименований.
Работа выполнена на кафедре прикладной физики и биофизики УГЛТА в рамках госбюджетных тем "ЖК-состояние в биосистемах и их моделях" (гос. per. № 80000160) и "Исследование ЖК-свойств клеточных структур" (roc. per. № 01860014640).