Синергетические явления и электрооптические эффекты в жидких кристаллах в сильных электрических полях Хатаевич, Владислав Израилович

Введение к работе

Актуальность теми. Макроскопические структурны; превращения жидких кристаллов (НК) в электрических полях, приводящие к разнообразным электрооптическим эф.ректач, впервые наблюдаемые ец? в ЗСР^ годы В.К.іредериксом и 3.Л.Цветковым, начали интенсивно исследоваться в конце 60^^ годов. Особое место в исследовании не-устойчивостей ЖК среды в электрических нолях занимают явления диссипативной электрогидродинамической (ЭГД) неустойчивости, приводящие к различньм пространственно-временным структурам. Число типов неустойчивости Ж в электрических полях велико и зависит от материальных параметров вещества, граничных условии, частоты и амплитуды внешнего электрического поля. Их исследования отражены в большом количестве статей и ряде монографий. Систематизация различных ЭГД эффектов дана в работах Л.М.Блинова, С.А.Гипшна, В.Г. Чигринова и др.. Однако эти как теоретические, так и экспериментальные исследования в основном затрагивали ситуацию вблизи порога неустойчивости. Наиболее сложной и наименее изученной областью ориентационных ксустойчивостей является нелинейное поведение диссипативной среды выше порога неустойчивости: ,'<1ало изучены кинетические аспекты ориентационных переходов мемду различными макроскопическими состояниями Ж, процессы перехода к развитой турбулентности, взаимодействие пространственных и волноеых структур, влияние граничных условий на надпороговые нелинейные явления в Ж, элеятрооптические свойства в сильных полях.

Динамические явления в слоях ЯК, представляющих собой кинетические распределенные среды, в которых осуществляется нелинейное взаимодействие между ориентацией и течением, управляемое электрическим полем, долкны представлять несомненный интерес ДЛЯ синергетики - теории самоорганизации, в круг задач которой входит изучение процессов роздения, перестройки и разруиения (хао-тизации) пространственно-временных структур в неравновесных системах. Многообразие форм, проявления синергетических явлений в Ж, приводящее к соответствующему изменению их оптических свойств, открывает широкие возможности в конструировании различных устройств отображения и обработки информации.

Мелыэ работы являлось систематическое исследование процессор образования, развития, перестройки я разрушения пространст-

пенно-временных макроскопических структур при различных типах неустойчивости нематических и смектичсских А ЇЇК в электрических полях, б том числе перехода к ориентационной турбулентности, и электро- и электротермооптических эффектов, обусловленных этими явлениями. Рассмотрение подобной задачи стимулировалось и тем обстоятельством, что исследуемые активные среды являются удобной моделью для изучения сложных нелинейных систем с переменной структурой (в том числе и с "памятью") и могут сыграть вакную роль в развитии идей синергетики.

Научная новизна полученных в диссертации результатов заключается в следующем:

1. Установлен ряд особенностей н дпорогового поведения НЖК с низкой электропроводностью в сильном постоянном поле не наблюдаемых с легированных образцах или в низкочастотном поле.

2. Впервые обнаружены и исследованы электротормооптические эффекты б легированных ионной примесью ШС, основанные на фазовых переходах благодаря диссипации энергии в электрическом поле нормальном і; слою. Предложен новый удобный метод изучения структуры и неустойчивости распространяющегося мекфазного фронта в ЇЇК.

3. Для различных частотных областей ЭГ'Д неустойчивости в нематииах экспериментально установлена последовательность неравновесных переходов с ростом надкритичности. Обнаружены и исследованы новые крупномасштабные диесипативнне структуры в турбулентной среде.

4. Впервые проведены систематические исследования процессов зарождения и пространственного развития ориентационной турбулентности (мода вторичноро динамического рассеяния ДР-2) в нематииах

в электрическом поле. Среди распределенных неравновесных сред ' данная система является первой, где можно реализовывать анизотропные стохастические автоволны, скоростью и анизотропией скорости которых можно управлять в широком пределе при изменении эм-шштуды и частоты внешнего поля.

5. Впервые обнаружен и исследован нелинейный эффект управ
ления ориентационной бистабильностью слоя ШК со слабым поверх
ностным сцеплением путем возбуждения в электрическом поле авто
волн перехода к ориентационной турбулентности.

6. Изучены алектрооптические свойства и спектральные харак
теристики эффектов светорассеяния в нематиках и смектиках А. с

учетом иерархии структурных превращений при варьировании в широком пределе частот» и амплитуды внешнего поля, толщины слоя и температуры (включая область пониженных температур).

Практическая ценность работы.

5. На основании проведенных систематических исследований электрооптических свойств различных ЭГД явлений в ЖК даны рекомендации по вибору оптимальных режимов работы'устройств на основе эффектов управляемого светорассеяния, в частности, в диэлектрическом режиме неустойчивости в высокоомных тематиках.

6. Разработаны модуляторы (световые клапаны) оптического излучения в видимой и ИХ областях спектра на основе ЭГД эффектов в НЖК.

7. Предложен способ термоэлектрооптической записи на смек-тике А на ochobs конфокально-гомеотропного перехода непосредственно в 5_А -фазе.

8. Предложены различные типы КК устройств для управления пространственной структурой световых пучков (управляемые диафрагмы, управляемая запись кольцєеьіх структур на смектиках А) на основе обнаруженных электротермооптических эффектов.

Положения, тшосимыэ на защиту.

9. Поведение Планерной текстуры ШК с низкой электропроводностью в сильном постоянном поле определяется рядом особенностей: наличием режима предельного тока; затуханием режима динамического рассеяния СДР), вплоть л,о полного подавления неустойчивости;, своеобразной кинетикой переходных процессов, связанных с элек-тродиффузионньми явлениями.

10. Электротермооптпческие эффекты, основанные на фазовых переходах в сильно легированном ионной примесью слое КК за счет диссипации энергии в электрическом поле нормальном к слою. Новый метод изучения структуры и неустойчивости распространяющегося в электрическом поле цекфазного фронта.

11. При ЭГД неустойчивости планарно ориентированного слоя НЖК переходу к ориентационной турбулентности с ростом надкритич-ности предшествует определенная последовательность неравновесных переходов, зависящая от частотного режима неустойчивости. В диэлектрическом рекиме, в области развитой турбулентности, формируются крупномасштабные диссипативные структуры.

4. Переход к развитой ориентационной турбулентности при ЭГД неустойчивости нематиков (мода ДР-2) имеет пороговый характер, проявляется локально и приводит к резкому изменению оптических и релаксационных свойств среды. Закономерности распространения стохастических автоволн перехода; способ оценки характерного масштаба турбулентности, основанный на изучении скорости распространения автоволн. В случае слабого поверхностного сцепления с помощь» возбуждения моды ДР-2 можно обратимо управлять ориентационной бистабильностыо в системе.

5. Условия выбора управляющих, внешних и граничных параметров для достижения эффективных ейвторассеивающих (в видимой и

ПК областях спектра) и временных характеристик ЭГД эффектов в нематиках и смектиках А в сильных полях.

6. Применение синергетических явлений в диссипативной ЖК среде для создания оптоэлектронных ВК устройств отображения и обработки информации.

Апробация результатов. Результаты работы докладывались на УІІ (Бордо, йранция, 1978), УШ (Киото, Япония, 1980) Мекдуна-родних конференциях по жидким кристаллам; на II (Солнечный берег, Болгария, 1977), ІУ (Тбилиси, 1981), УІ (Галле, ГДР, 1965), УІІ Шардубице, ЧССР, 1987), УIII (Краков, ПНР, 1989) Международных конференциях социалистических стран по жидким кристаллам; на Европейской летней конференции по жидким кристаллам (Вильнюс, Литва, 1991); на ІУ (Иваново, 1977), У (Иваново, 1985), УІ (Чернигов, 1988) Всесоюзных конференциях по жидким кристаллам; на совещании "Надмолекулярная структура и электрооптика жидких кристаллов" (Славск, 1985); на У и УІ (Пущино, 1986, 1988) Всесоюзном совещании "Жидкокристаллическое состояние в биологических системах и их моделях"; на Всесоюзном семинаре "Математические и вычислительные методы в биологии" (Пущино, 1985); на Всесоюзном совещании "Электрооптика границы раздела ЇЇК-твердое тело" (Москва, 1985); на I (Москва, 1987) и II (Красноярск, 1990) Всесоюзных семинарах "Оптика жидких кристаллов"; на Республиканской конференции "Жидкие кристаллы и их применение" (Баку, 1988); на междисциплинарном семинаре "Синергетика" (МГУ, 1988), а также на научных семинарах в ряде организаций.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 37 печатных работ, список которых приведен в конце.реферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы. Общий объем диссертации 193 страницы, включая 66 рисунков, 3 таблицы и список литературы из 185 наименований.