Введение к работе
Актуальность проблемы. Ориентационно упорядоченные конденсированные системы, жидкие кристаллы, представляют повышенный интерес как для фундаментальных, так и для прикладных исследований
Экспериментальные и теоретические исследования физико-химических свойств жидких кристаллов (ЖК) продолжают оставаться активно развивающейся областью физики конденсированного состояния, что обусловлено несколькими причинами во-первых, уникальным сочетанием в ЖК свойств, характерных для классических жидкостей и для кристаллических тел, во-вторых, их широким использованием в системах записи, отображения, обработки и хранения информации
Для осуществления целенаправленного синтеза новых жидкокристаллических соединений с заданными вязкоупругими и акустоэлектрическими свойствами необходима информация о теплофизических и релаксационных параметрах имеющихся соединений Молекулярно-статистические модельные расчеты также требуют экспериментальной проверки
Исследования ориентационных явлений в жидких кристаллах с различным знаком анизотропии диэлектрической проницаемости в изменяющихся во времени и пространстве внешних полях представляют интерес для уточнения динамики процессов межмолекулярного взаимодействия, связанных с переориентацией директора в макроскопических образцах, а также являются эффективным средством изучения их внутренней структуры
Одной из отличительных особенностей жидких кристаллов является их способность заметно изменять свою структуру под действием внешних электрических и магнитных полей, которые являются причиной возникновения анизотропии ряда физических свойств ЖК
На регистрации изменений данных анизотропных свойств основано множество методов исследования ориентационных процессов в ЖК магнитно-резонансный метод, рентгено-структурный, метод рассеяния нейтронов, оптический и др
Для изучения влияния внешних электрических и магнитных полей на структуру ЖК необходимо проводить исследования в достаточно больших образцах ЖК, которые подвержены лишь незначительному влиянию ограничивающих поверхностей Линейные размеры таких образцов должны значительно превышать магнитную длину когерентности
В этом случае наиболее подходящими являются методы акустической и диэлектрической спектроскопии, позволяющие изучать объемные свойства мезо-фазы, без искажений ориентационной структуры, вызываемых ограничивающими поверхностями, в широком временном и температурном интервалах Кроме того
данные методы исследований имеют чрезвычайно широкий частотный диапазон от 102 — 109 Гц Такая способность к широкому варьированию параметром и> тт, где ш - частота, тт - время релаксации ш-го процесса, незаменима при изучении релаксационных свойств ЖК
Анизотропное поглощение ультразвука и анизотропия диэлектрической поляризации, регистрируемое в экспериментах, содержит информацию не только о быстрых внутримолекулярных процессах, но и о процессах медленной ориентаци-онной релаксации
Ультразвуковые и диэлектрические измерения, зондирующие ориентаци-онную структуру объемных жидкокристаллических образцов, позволяют исследовать поведение жидких кристаллов в изменяющихся внешних полях Динамика ориентации жидких кристаллов в таких полях, в частности, ее релаксационные параметры, в свою очередь, дают возможность определить диамагнитные, диэлектрические и реологические параметры жидких кристаллов при различных температурах и давлениях
Поэтому актуальной задачей физики конденсированного состояния ЖК и их растворов является изучение кинетики и термодинамики ориентационных эффектов и процессов межмолекулярной перестройки в широких временном и температурном интервалах
С учетом решаемых в работе задач, объектами исследования выбраны нематические жидкие кристаллы как с положительной, так и с отрицательной анизотропией диэлектрической проницаемости Ає = є\\ — є± с широкими температурными интервалами существования мезофазы ЖК-1282 (Ту = 253,1К, Тс = 335,\К, Ає > 0), который состоит из алкоксицианбифенилов (80% массовой доли), эфира Демуса (16%) и эфира Грея (4%), и ЖК-440 (Tf = 265JK, Тс = 344,5 ЗА5,6К, Ає < 0), представляющий собой смесь изомеров п-н-бутил-п-метоксиазоксибензола (БМОАБ) и н-бутил-п-гептаноилоксиазоксибензола (БГО-АБ) в соотношении (2 1)
Цель работы. Основной задачей диссертации является экспериментальное исследование динамики ориентационных процессов нематических жидких кристаллов (НЖК) с положительной и с отрицательной анизотропией диэлектрической проницаемости в поли- и монодоменных образцах больших объемов акустическим методом и методом радиодиэлектрической спектроскопии под действием изменяющихся полей Решение этой задачи включает
- создание компьютерного измерительного комплекса и совершенствование методики изучения релаксационных свойств НЖК во вращающихся и пульсирующих магнитных полях при изменяющихся термодинамических параметрах состояния и индукций магнитного поля,
измерение анизотропных акустических и диэлектрических параметров НЖК в образцах, ориентированных статическим магнитным полем с различной ориентацией и величиной магнитной индукции в широком температурном интервале в условиях варьирования частотой внешних акустических и электрических возмущений
экспериментальное исследование методами акустической и диэлектрической спектроскопии динамики ориентационных изменений в моно- и полидоменных образцах НЖК при воздействии пульсирующих и вращающихся магнитных полей
сопоставление длительностей ориентационных процессов, исследованных методами акустической и диэлектрической спектроскопии в образцах НЖК с положительной и отрицательной анизотропией диэлектрической проницаемости
проведение теоретического анализа экспериментальных данных на основе существующих теорий жидкокристаллического состояния вещества
Научная новизна работы состоит в том, что
усовершенствованы методики исследования ориентационных явлений в пульсирующих и вращающихся магнитных полях акустическим методом и методом диэлектрической спектроскопии и создан компьютерный измерительный комплекс, позволяющий автоматизировать процесс проведения эксперимента
получены экспериментальные данные, характеризующие динамику поведения НЖК в пульсирующих и вращающихся магнитных полях в широком температурном интервале существования мезофаз при различных индукциях магнитного поля
исследовано влияние температуры и индукции магнитного поля на времена ориентационной релаксации в полидоменных и монодоменных образцах НЖК с положительной и отрицательной анизотропией диэлектрической проницаемости
проведено сопоставление результатов измерения времени релаксации ориентационной структуры во вращающемся и пульсирующем магнитном поле, полученных акустическим методом и методом диэлектрической спектроскопии
- выполнен анализ экспериментальных данных, установлена связь между вре
менными изменениями диэлектрической проницаемости, коэффициента по
глощения ультразвука и параметрами ЖК, определяющими их динамиче
ские свойства
Практическая ценность. Созданный компьютерный измерительный комплекс позволяет использовать разработанные методики проведения исследований динамических свойств широкого класса анизотропных жидкостей в статических и переменных магнитных полях методами акустической и диэлектрической спектроскопии Полученные экспериментальные результаты позволяют определить физические параметры, характеризующие кинетику молекулярных процессов, межмолекулярные взаимодействия, связи молекулярной структуры с акустическими и диэлектрическими характеристиками НЖК и их смесей, а также являются основой для дальнейшего совершенствования теории динамических свойств НЖК Доказана высокая информативность применения метода диэлектрической спектроскопии для исследования динамики ориентационных процессов в поли- и монодоменных образцах НЖК в малых объемах вещества Полученные численные значения параметров НЖК (анизотропия диэлектрической проницаемости и поглощения ультразвука, времена ориентационной релаксации, коэффициента вращательной вязкости) могут быть использованы при составлении таблиц справочных данных по акустическим и диэлектрическим свойствам мезоморфных жидкостей, необходимых при разработке новых технических устройств, использующие ЖК в качестве рабочих тел и реализующих анизотропные акустические и диэлектрические свойства мезоморфных жидкостей Автор защищает:
результаты методических и конструкторских разработок, позволяющих изучать динамику ориентационных процессов в моно- и полидоменных образцах НЖК с положительной и с отрицательной анизотропией диэлектрической проницаемости методами акустической и радиодиэлектрической спектроскопии,
результаты экспериментальных исследований влияния статических и переменных магнитных полей на акустические и диэлектрические параметры и времена ориентационной релаксации нематических жидких кристаллов ЖК-1282 и ЖК-440,
результаты анализа экспериментальных данных и расчетов материальных коэффициентов ЖК-1282 и ЖК-440
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры, научных конференциях преподавателей и студентов
МГОУ, г Москва, 2005, 2006, 2007 г, Международной научно-практической конференции "Современные направления теоретических и прикладных исследований '2007", г Одесса, 2007 г, II научной конференции молодых ученых Регионального научно-образовательного центра по наноматериалам "Жидкие кристаллы и на-номатериалы", г Иваново, 2007 г
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения Общий объем диссертации 147 страниц машинописного текста, включая 45 рисунков, 30 таблиц и список литературы, содержащий 128 наименований