Введение к работе
Актуальность темы. Диэлькометрия, как известно, является одним из мощных инструментов исследования молекулярной структуры веществ. В част-ности, исследования комплексной диэлектрической проницаемости жидких кристаллов (ЖК) в радиочастотном диапазоне позволяют определить типы релаксационных движений молекул в мезофазе, времена релаксации и другие важные характеристики ЖК.
Исследования диэлектрической проницаемости за областью релакса
ции, в дециметровом диапазоне длин волн (когда молекулы уже нельзя рас
сматривать как жесткие стержни), представляют особый интерес, так как в
этом частотном диапазоне могут проявляться внутримолекулярные движения
как в ЖК, так и в более высокомолекулярных соединениях, таких, как био
полимеры. . .....
Однако в этом диапазоне длин волн данных по диэлектрическим характеристикам ЖК и биополимеров недостаточно [1-3]. Это объясняется трудностями проведения эксперимента в дециметровом диапазоне волн, где датчики на сосредоточенных элементах уже не работают, а электродинамические системы с распределенными параметрами (коаксиальные,, и, тем более, волноводные) имеют большие размеры, вследствие чего требуется большой объем измеряемого вещества, иначе малый коэффициент заполнения устройства ухудшает точность измерений. Это является одной из причин того, что сверхвысокочастотные (СВЧ) методы практически не использовались при исследовании жидких кристаллов и биополимеров. Поэтому задача разработки прибора для исследования диэлектрических характеристик в дециметровом диапазоне длин волн и выявление особенностей поведения высокочастотной диэлектрической проницаемости жидких кристаллов и биополимеров является актуальной на сегодняшний день.
3 . -
Целью данной работы явилось:
I.. Разработка измерительных микрополосковых резонаторов для исследования комплексной диэлектрической проницаемости жидких кристаллов и биополимеров в дециметровом диапазоне длин волн.
-
Исследование действительной и мнимой компонент диэлектрической проницаемости нематических жидких кристаллов группы алкилциано-бифенилов в дециметровом диапазоне длин волн.
-
Исследование высокочастотной диэлектрической проницаемости биополимера полиоксибутирата и его сополимеров в твердом состоянии и в растворах в хлороформе.
Научная новизна: 1, Разработаны высокочувствительные микропо-лосковые измерительные резонаторы для исследования комплексной диэлектрической проницаемости жидких кристаллов и биополимеров в дециметровом диапазоне длин волн.
-
Экспериментально исследована область аномальной дисперсии диэлектрической проницаемости в нематических жидких кристаллах группы алкилцианобифенилов (5СВ, 7СВ, 8СВ) в дециметровом диапазоне длин волн. Показано, что частота дисперсионной области не зависит от длины алкильных цепей. Амплитуда же дисперсионной области- максимальна для 5СВ, имеющего меньшее число алкильных групп и более высокую частоту релаксации. При повышении температуры в нематической фазе ЖК частота дисперсионной области не изменяется, амплитуда же увеличивается, проявляя критический рост при фазовом переходе нематик- изотропная жидкость.
-
Показано, что дополнительная дисперсионная область проявляется и в растворах жидких кристаллов в бензоле.
-
В жидких кристаллах группы алкилцианобифенилов обнаружено смешение частоты "повторной смены знака диэлектрической анизотропии относительно вычисленной на.основе дебаевского процесса релаксации.
-
В пленках биополимера полиоксибутирата выявлено увеличение диэлектрической проницаемости с ростом температуры в дециметровом диапазоне длин волн.
-
Установлено, что значительные вариации диэлектрических инкрементов и соответствующих им средних дипольных моментов связаны со средними молекулярными массами биополимера полиоксибутирата.
Практическая значимость результатов. Разработанные высокочувствительные измерительные микрополосковые резонаторы для исследования комплексной диэлектрической проницаемости позволяют проводить- электронолевые, температурные, частотные, релаксационные и др. исследования жидкостей, и в частности, жидких кристаллов и биополимеров. Созданная экспериментальная установка на базе микрополосковых измерительных резонаторов может использоваться для исследования диэлектрической проницаемости растворов различных концентраций, гелей и других конденсированных сред.
Экспериментально обнаруженная повторная смена знака диэлектрической анизотропии ЖК может быть использована при разработке жидкокристаллических устройств в СВЧ диапазоне.
Отсутствие дисперсии диэлектрической проницаемости биополимера полиоксибутирата в интервале частот электромагнитного поля от 10 МГц до 10 ГГц и довольно высокая температурная стабильность диэлектрической проницаемости (As'(T)/AT=0.0005) в сочетании с малой величиной диэлектрической проницаемости (є'=2.2г2.24) и высокой температурой размягчения (Т=150-180 С) говорит о перспективности использования полиоксибутирата в качестве защитного покрытия СВЧ плат.
5 .
На защиту выносятся:
-
Конструкции измерительных микрополосковых резонаторов для измерения действительной и мнимой компонент диэлектрической проницаемости жидких кристаллов и биополимеров в дециметровом диапазоне длин волн.
-
Результаты экспериментального исследования области аномальной дисперсии диэлектрической проницаемости в нематических жидких кристаллах группы алкилцианобифенилов (5СВ, 7СВ, 8СВ) в дециметровом диапазоне длин волн, показывающие, что частота дисперсионной области не зависит от. длины алкильных цепей, амплитуда же дисперсионной области максимальна для 5СВ, имеющего меньшее число алкильных групп и более высокую частоту релаксации. При повышении температуры в нематической фазе ЖК частота дисперсионной области не изменяется, амплитуда же увеличивается, проявляя критический рост при фазовом переходе нематик- изотропная жидкость.
-
Обнаружение дополнительной дисперсионной области в отсутствии дальнего порядка в растворах жидких кристаллов в бензоле.
-
Обнаружение и исследование в жидких кристаллах группы алкилцианобифенилов смещения частоты повторной смены знака диэлектрической анизотропии относительно вычисленной на основе дебаевского процесса релаксации.
-
Выявление в пленках биополимера полиоксибутирата увеличения диэлектрической проницаемости с ростом температуры в дециметровом диапазоне длин волн.
-
Установление корреляционной зависимости между диэлектрическими инкрементами и соответствующими им средними дипольными момен-тами со средними молекулярными массами биополимера полиоксибутирата.
Достоверность результатов подтверждается проверкой работы измерительных мнкрополосковых резонаторов на эталонных жидкостях, обсуждением результатов работы на всероссийских и международных конференциях, публикацией результатов диссертационной работы в рецензируемых журналах, а так же подтверждением обнаруженных эффектов другими авторами в более поздних работах.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены' и обсуждались на Всероссийской научно-практической конференции "Решетневскис чтения" (Красноярск, 1998г.), Всероссийской с международным участием конференции "Современные проблемы радиоэлектроники" (Красноярск, 1998г.), 8" международной конференции "СВЧ техника и телекоммуникационные технологии" ( Севастополь, Украина', 1998г.), IV международной конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения"' (Новосибирск, 1998г.), 9"" международной конференции "СВЧ техника и телекоммуникационные технологии" ( Севастополь, Украина, 1999г.), ХШ Conference on Liquid Crystals (Krynica, Poland, 1999r.), 10"" международной конференции "СВЧ техника и телекоммуникационные технологии" ( Севастополь, Украина, 2000г.), V международной конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения" (Новосибирск, 2000г.) 18th International Liquid Crystal Conference (Sendai, Japan, 2000r.).
Публикации: Основные результаты диссертации изложены в 19 печатных работах, 7 из которых опубликованы в центральных журналах (ЖТФ, Письма в ЖЭТФ, ФТТ, Доклады АН, Биофизика).
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложения. Объем диссертации составляет 120 страниц, включая 57 рисунков, 4 таблицы и список литературы из 85 наименований.
