Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ МОЛЕКУЛ И КРИСТАЛЛОВ УФИМСКОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК На правах рукописи
Тимиров Юлай Ильдарович
Структурные превращения в каплях нематохолестериков индуцированные электрическими полями
01.04.07 - Физика конденсированного состояния
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Уфа - 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте физики молекул и кристаллов Уфимского научного центра Российской академии наук
Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор, Скалдин Олег Алексеевич
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор, Захлевных Александр Николаевич доктор физико-математических наук, профессор, Урманчеев Саид Федорович
Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетн ное учреждение науки Институт прон блем сверхпластичности металлов Росн сийской академии наук
Защита состоится л 2012 г. в часов на заседании дисн сертационного совета ДМ 002.099.01 в Федеральном государственном бюджетн ном учреждении науки Институте физики молекул и кристаллов Уфимского научного центра Российской академии наук по адресу: 450075, г. Уфа, Прон спект Октября 71, конференц-зал, тел/факс: 8(347)29214
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государн ственного бюджетного учреждения науки Института физики молекул и крин сталлов Уфимского научного центра Российской академии наук.
Автореферат разослан л 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, к.ф.-м.н., Ломакин Г.С.
Общая характеристика работы
Актуальность темы. Экспериментальные исследования ориентационных эффектов и электрооптики жидких кристаллов (ЖК), с одной стороны имеют вполне конкретное практическое применение, в частности, системах отображен ния и обработки информации (ЖК-индикаторы, ЖК-дисплеи и т.д.), а с другой стороны, являются важными и с фундаментальной точки зрения. В частности, это касается вопросов симметрии образующегося надмолекулярного порядка в исследуемых диссипативных структурах и процессах генерации дефектов при наличии несимметричных граничных условий, что является в последние годы предметом активных исследований. Это связано, с одной стороны, с конечн ностью всех реальных систем, т.к. на мезоуровне поверхностная и объемная части энергии становятся сравнимыми. С другой стороны, неоднородное по пространству распределение молекулярной ориентации в ЖК и неравенство поверхностной энергии на границах плоского слоя, задающее дополнительную анизотропию надмолекулярного характера в объеме ЖК, могут приводить к реализации существенно иного типа неустойчивостей при внешнем воздейн ствии, в частности, электрическое поле, по сравнению с обычным однородн ным случаем, а также определить разнообразие динамических структур и их симметрию. Наряду с этим, физика образования, динамика и структура дефекн тов упорядоченности структурных элементов и их симметрия традиционно являются одной из наиболее актуальных областей физики конденсированного состояния. В первую очередь это определяется влиянием и ролью дефектов в различного рода переходных процессах (фазовые, структурные превращения и т.д.).
Поэтому исследование роли симметрии анизотропных систем, а также состояние ЖК на границе раздела фаз в процессах образования надмолекун лярного порядка, в том числе и нестационарных структур, в электрическом поле и связи их симметрии с симметрией воздействующих факторов является весьма важной для понимания фундаментальных принципов формирования и динамики образования периодических макроструктур, сценариев развития ориентационных неустойчивостей во внешних полях, а также механизмов их разупорядочения.
Целью диссертационной работы является экспериментальное исследон вание особенностей ориентационных неустойчивостей и структурных превран щений в слоях и каплях нематохолестерических жидких кристаллов под дейн ствием внешнего электрического поля: влияние границ и степени закрутки равновесного геликоида индуцированного холестерическими добавками.
Научная новизна 1. Развит экспериментальный метод определения шага спирали по критин ческому напряжению ориентационного перехода гомеотропная фаза - трансн ляционно-инвариантная конфигурация (ТИК).
2. Обнаружен ряд периодических ориентационных процессов в каплях НХЖК индуцированных как внешним электрическим поле, так и размерами самих капель, а также и холестерическим допантом.
3. Показано, первое, что увеличение концентрации холестерического дон панта (уменьшение P по сравнению с R) приводит к инициации ориентационн ного перехода развивающегося от сферической границы; второе - в нематохон лестерических каплях при P R в электрическом поле переход Фредерикса становится непрерывным, т.е. беспороговым; третье - симметрия образующихн ся динамических структур не всегда определяется симметрией воздействуюн щего фактора и симметрией анизотропной среды.
Практическая значимость. Результаты, полученные в работе расширян ют существующие представления о влиянии на ориентационно-структурные превращения в слое НХЖК внешних факторов, таких как электрическое поле, энергия взаимодействия молекул НХЖК с подложкой. Представленные в дисн сертации результаты, демонстрирующие электрооптические эффекты в капн лях НХЖК в зависимости от управляющих параметров (граничные условия, внешнее электрическое поле, шаг холестерической спирали, диаметр капель, толщина ЖК-слоя), являются основой для развития методов управления оптин ческими свойствами НХЖК и создания систем отображения и преобразования информации.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Для определения равновесного шага спирали нематохолестерика по ориентационному переходу гомеотропная фаза - трансляционно-инвариантная конфигурация (ТИК) необходимо учитывать конечность энергии сцепления молекул ЖК с поверхностью.
2. Развивающийся электрооптический эффект локального вращения в капн лях НХЖК с P R обусловлен вращением центральной дисклинации, что приводит к распространению спиральной ориентационной волны вдоль ось капли.
3. Развивающийся электрооптический эффект локального вращения в капн лях НХЖК с P R обусловлен вращением центральной дисклинации, что приводит к распространению спиральной ориентационной волны вдоль ось капли.
4. Образование нестационарных спиральных структур в каплях нематон холестерика при P R является следствием развития ЭГД неустойчивости и обусловлена относительным смещением зон Гранжана относительно друг друга.
Апробация работы. Основные результаты изложенные в диссертацин онной работы докладывались на XII, XIII, XIV, XV, XVII Всероссийской конференции УСтруктура и динамика молекулярных системФ (Йошкар-Ола, 2005-2010), Международной уфимской зимней школе-конференции по матен матике и физике для студентов, аспирантов и молодых ученых (Уфа, 2005), International Summer School on Liquid Crystal (Бондол, Франция, 2007), Первом международном междисципленарном симпозиуме УФизика низкоразменрных систем и поверхностейФ (Ростов-на-Дону, 2008), 14 Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (Уфа, 2008), The 22nd International Liquid Crystal Conference (Джеджу, Корея, 2008), VII Междунан родной научной конференции (Иваново, 2009), The 14th International Topical Meeting on Optics of Liquid Crystals (Ереван, Амения, 2011), Всероссийской мон лодежной конференции УМавлютовские чтенияФ (Уфа, 2011), Международной школе-конференции для студентов, аспирантов и молодых ученых Фундан ментальная математика и ее приложения в естествознании (Уфа, 2011).
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 20 печатных ран ботах, из них 4 в рецензируемых журналах [1Ц4], 6 в сборниках трудов и материалов конференций [5Ц10] и 10 тезисов докладов [11Ц20].
ичный вклад автора заключается в совместной с научным руковон дителем постановка задач, обсуждение и интерпретация результатов, пригон товлении образцов с различной конфигурацией директора: планарной и гон меотропной, создании ориентационных и прозрачных проводящих пленок на подложках с применение методов центрифугирования и магнетронного напын ления, проведении электрооптических исследований с применением методов поляризационно-оптической микроскопии, обработке экспериментальных рен зультатов, интерпретации и обобщении полученных данных, формулировке защищаемых положений и выводов, написании статей.
Автор выражает искреннюю благодарность О.А. Скалдину как научному руководителю, Н.Г. Мигранову и В.А. Делеву за полезные дискуссии, М.В.
Хазимуллину и Ю.А. Лебедеву за конструктивные замечания и плодотворное обсуждение результатов работы, а также всем коллегам лаборатории ФТТ за помощь и содействие в выполнении диссертационной работы.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введен ния, пяти глав, выводов и списка литературы из 151 наименования. Работа изложена на 145 страницах и содержит 63 иллюстраций.
Исследования, представленные в диссертационной работе, выполнялись в соответствии с темами НИР РАН (01.2.00600318, 01.2.00900728) и поддержин вались грантами РФФИ (05-02-16548 - 2007, 05-02-16716 - 2005, 05-02-979 - 2007, 08-02-97008 - 2010), ГНТП РБ (3.2.1.7 - 2007, 55 - 2009) и грантом №Республики Башкортостан молодым ученым и молодежным научным коллекн тивам (2011).
Основное содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована её цель и задачи исследования, показана научная новизна полученных результатов, обосновано научное и практическое значение работы, изложены положения, выносимые на защиту, и дана краткая характеристика материалов диссертации.
В первой главе приведен обзор литературных источников, в котором расн сматриваются общие сведения о ЖК и их свойствах. Описаны основные механ низмы и электрооптические эффекты, существующие в нематических жидких (НЖК) во внешних полях. Здесь же рассмотрены экспериментальные и теорен тические работы, посвященные ориентационным эффектам в нематохолестен рических смесях в зависимости от приложенного внешнего поля и граничных условий. Описаны наблюдаемые в каплях нематических жидких кристаллов ориентационные структуры и факторы, влияющие на их образование. Расн смотрены работы, показывающие ориентационно-структурные превращения индуцированные температурой, модификацией граничных условий, электрин ческим полем и НЖК, заключенные в сферические оболочки (нематические оболочки).
Во второй главе изложены основные сведения о материалах, использун емых в качестве объекта исследования, методиках получения различных гран ничных условий и создания дисперсных систем капель НХЖК в изотропном окружении, методике определения и контроля воздушного зазора ЖК-ячеек, методиках определения шага НХЖК смеси, методике поляризационно-оптин ческих исследований ЖК.
В третьей главе экспериментально и теоретически изучен ориентационн ный переход гомеотроп - (ТИК) в тонком слое индуцированное электрическим полем, на границах которого созданы мягкие гомеотропные условия сцеплен ния.
Рассматривается ориентационный переход гомеотропное состояние - ТИК, а точнее критическое напряжение Uc перехода как функция степени обран ботки [3 - (триметоксисилил) пропил] октадеcил - диметиламмоний хлорид (DMOAP) подложки с ITO для смесей НХЖК со значениями равновесного шага спирали равного: P0.22% 54 мкм, P0.165% 72 мкм, P0.11% 108 мкм.
На рис. 1, а представлены зависимости критических напряжений от конн центрации DMOAP для трех различных смесей нематохолестериков со значен ниями P, отмеченными выше. Из рис. 1, а видно, что рост переходного напрян жения Uc происходит с увеличением концентрации поверхностно-активного вещества (ПАВ) до 5 % DMOAP с последующим насыщением. Проведены расчеты величины шага спирали от порогового напряжения Uc перехода в ТИK по формуле (1), используя экспериментальную зависимость последнего (а) (б) Рис. 1. Зависимости порогового напряжения Uc для НХЖК с различными массовыми долями холестерилхлорида от концентрации DMOAP (а); зависимости расчетного шага спирали P по значении критического напряжения Uc от концентрации DMOAP (б).
от концентрации поверхностно-активного вещества DMOAP. Результаты расн четов представлены на рис. 1, б, как функция концентрации DMOAP. Показано, что выражение полученное для P от критического напряжения Uc перехода из гомеотропного состояния в ТИК [1, 2] не соответствует предельному случаю жесткого сцепления (Ws ).
2K22d P =, (1) Uc0aK33 + 2Kгде a - анизотропия диэлектрической проницаемости НХЖК, 0 - диэлекн трическая постоянная, d - толщина слоя, K22 и K33 константы упругости для кручения и продольного изгиба соответственно.
Наблюдаемое при малых концентрациях DMOAP уменьшение значения шага спирали (рис. 1, б) является фиктивным и его фактически необходимо отнести на счет изменения энергии сцепления, которая не учитывается соотн ношением (1).
Для подтверждения экспериментальных данных проведен теоретический анализ влияния энергии сцепления молекул НХЖК с подложкой на ориенн тационный переход из холестерического гомеотропного состояния в ТИК. В одноконстантном приближении (K = K11 = K22 = K33) по аналогии с [3] пон лучено выражение (2), позволяющее определить энергию сцепления молекул НХЖК с подложками ячейки в зависимости от концентрации DMOAP, для ориентационного перехода гомеотропЦТИК.
2 42K2 a0Uc K d 42K2 a0Uc K Ws = - tg (2) 2K P2 - d2 , P2 dРис. 2. Зависимость энергии сцепления Ws Рис. 3. Зависимость порогового напряжения молекул смеси НХЖК от концентрации Uc от энергии сцепления W.
DMOAP.
На рис. 2 представлены зависимости энергии сцепления Ws от концентрации DMOAP. Установлен характер влияния энергии сцепления на пороговое напрян жения перехода гомеотроп-ТИК и построена экспериментальная зависимость Uc(W).
Таким образом, показано, что пороговое напряжение перехода гомеон тропЦТИК существенно зависит от энергия сцепления, что является важным для определения шага спирали.
В четвертой главе исследованы электрооптические эффекты и структурн ные переходы в каплях нематохолестерика, индуцированные электрическим полем, хиральным допантом и границей.
(а). U = 0 В (б). U = 1.8 В (в). U = 2.4 В (г). U = 4.2 В Рис. 4. Последовательность ориентационных структур, образующихся при изменении внешн него электрического поля. Радиальная капля (а), твист-биполярная (б), капля с разрушенным дефектом (в), биполярная капля (г).
Здесь же представлены результаты экспериментальных исследований кван зиравновесных ориентационных структур, образующихся в каплях нематон холестерика c большим шагом спирали P0.05% = 238 мкм, существующих в изотропном окружении в окрестности точки просветления. В результате сравн нительного анализа текстурных картин НХЖК капель с существующими в НЖК [4] восстановлены соответствующие распределения поля директора и в зависимости от приложенного напряжения U.
Таким образом, на примере капель нематохолестерика проведен сравнин тельный анализ обнаруженных стабильных конфигураций директора (рис. 4, а - 4, г). Представлена последовательность структурных превращений, плавно переходящих от радиальной к биполярной структуре при изменении управлян ющего напряжения, приведенных на рис. 4.
В разделе 4.3 проведены исследования ориентационных превращений в каплях нематохолестерика, индуцированные хиральным допантом. Показано, что по мере увеличения концентрации относительный размер гомеотропной области уменьшается. Определен характер зависимости величины гомеотропн ной области от вариации шага спирали НХЖК (рис. 5).
Рис. 5. Зависимость относительной величины Ddh/Dd - диаметра гомеотропного ядра к диан метру капли от величины равновесного шага спирали P; пунктиром обозначен холестерик с бесконечным шагом спирали, т.е. нематик (МББА).
Из зависимости профиля оптического пропускания рассчитано распрен деление фазовой задержки вдоль диаметра капли. Получены зависимости среднего квадрата синуса угла отклонения (рис. 6, а) директора от нормали вдоль радиуса капли. При различных текущих координатах , как параметра, получена зависимость < sin2 > от концентрации холестерика на произвольн ных расстояниях от центра капли (рис. 6, б). Показано, что с увеличением концентрации в выбранных точках пространства капли среднее отклонение директора по вертикали растет, причем рост инициируется границей мезон фаза Ч изотропная фаза. Выявлен характер влияния граничных эффектов на ориентацию в объеме капли. Для этого построены зависимости размера гомеон тропного ядра капли Ddh в виде функции размера капель Dd для различных концентраций холестерика. Анализ этих зависимостей показывает, что диан метр Ddh линейно зависит от размера капель Dd, а нормированная величина Ddh/Dd = tg() является постоянной и не зависит от размера капли. Последнее позволяет сделать вывод о том, что имеет место влияние не только границы, (а) (б) Рис. 6. Зависимость < sin2 > (r/Rd), вычисленная по материальным параметрам МББА [5] (а) для ряда значений шага спирали; < sin2 > (P) для ряда фиксированных значений параметра = r/Rd (б).
что является несомненным, но и наличие пространственно корреляционных длин характерных возмущений, определяемых величиной хиральной добавн ки [6]. Построена фазовая диаграмма области существования капель с перен менным размером гомеотропного ядра в зависимости от концентрации допанта (рис. 7).
Рис. 7. Фазовая диаграмма, показывающая Рис. 8. Зависимости Ddh/Dd от приложенн возможную область существования капель с ного напряжения для различных концентран гомеотропным ядром. ций C холестерического допанта c соотн ветствующими P: (1) PMBBA = мкм; (2) P0.05% = 238 мкм; (3) P0.11% = 108 мкм; (4) P0.165% = 72 мкм; (5) P0.22% = 54 мкм.
В разделе 4.4, на примере НХЖК капель с шагом спирали P0.11% = 108 мкм, представлен результат исследования ориентационных превращений капель нематохолестерика, индуцированные электрическим полем. Проведен анализ последовательности текстур НХЖК-капель, наблюдаемых при увеличен нии приложенного электрического напряжения. На рис. 8 показано, что налин чие гомеотропного ядра в каплях с не нулевым содержанием холестерического допанта приводит к беспороговому переходу Фредерикса. Далее рассмотрен на эволюция ориентационной деформации директора вдоль радиуса капли с увеличением приложенного напряжения. Для этого получено распределение фазовой задержки вдоль диаметра проходящего посередине между двумя изогирами и вычислено распределение < sin2 >, усредненного по координате z.
Таким образом в данном разделе показано, что наличие малых концентран ций холестерического допанта приводит к исчезновению порога Фредерикса и возникает ситуации, когда каждому напряжению соответствует своя равновесн ная область деформации, локализованная в окрестности границы капли при сохранении гомеотропного ядра, размер которого, сублимируется с увеличен нием напряжения.
В пятой главе представлены результаты изучения нестационарных орин ентационных процессов, развивающихся при воздействии приложенного нан пряжения выше порога динамической неустойчивости.
В разделе 5.1 приведена классификация этих структур в зависимости от размера капель и концентрации холестерического допанта.
a) Капли с шагом спирали 240 P 72 мкм и диаметром D 50 мкм.
(а) (б) (в) (г) (д) (е) (ж) (з) Рис. 9. Динамика дисклинационной линии в последовательные моменты времени для капли с D = 46 мкм и P0,05% = 238 мкм.
Первый тип капель с диаметром меньше 50 мкм характерезуется периодин ческим процессом рождения и УсхлопыванияФ структурных стенок, представн ляющих с собой границу между областями с различной ориентацией директон ра (рис.9). Показано, что основной механизм данного процесса обусловлен появлением электроконвективных вихрей (ЭГД неустойчивость). Динамика структурных превращений при этом зависит от соотношения размеров конн вективных валов и радиуса капли. Для этих процессов получены зависимости циклической частоты от амплитуды и частоты приложенного напряжения.
(а) (б) Рис. 10. Изображение капли с дефектами в виде УклювиковФ в электрическом поле Dd = 42 мкм (а); распределение поля директора биполярной капли (б).
Здесь же наблюдается еще один тип вращающихся капель (рис. 10, а). Отн личительной особенностью последних является возможность восстановления ориентации директора, в следствии однородного распределения директора в капле (рис. 10, б). Для этих капель получена зависимость пороговых напрян жений инициации процесса вращения от холестерического допанта, а также зависимость циклической скорости вращения от приложенного напряжения U, которая является линейной.
б) Капли с шагом спирали 240 P 72 мкм и диаметром D > 50 мкм.
Структура таких капель определяется налин чием центрального линейного дефекта (рис. 11).
Для понимания динамики УвращенияФ в каплях в этом случае детально изучена динамика орин ентационных процессов в УопрокинутыхФ каплях большего размера, когда ось капли не перпендин кулярна плоскости образца (рис. 12, а), а лежит в Рис. 11. Капля с центральным плоскости слоя, как показано на рис. 12, б. Устан линейным дефектом.
новлено, что периодические осцилляции прон светления связаны с вращением центрального ден фекта (рис. 12, в), который генерирует ориентационные спиральные волны вдоль направления совпадающего с осью капли.
Для определения механизма данного процесса получены зависимости частоты вращения от приложенного напряжения U (рис. 13, а), а также геометрического фактора (размер капли D) и равновесного шага спирали P (рис. 13, б). Выявлен характер зависимости порогового напряжения Uth от диаметра капель D (рис. 13, б). Показано, что данная неустойчивость обусловн лена электроконвективным механизмом.
в) Капли с шагом спирали 72 P 54 мкм и диаметром D > 50 мкм.
(а) (б) (в) Рис. 12. Изображения капель НХЖК для смеси с шагом P0.165% = 72 мкм, где: (а) структура капли в виде Умальтийского крестаФ; (б) эта же капля с осью лежащей в плоскости образца (Dd = 121 мкм); (в) схема образования волн.
(а) (б) Рис. 13. Зависимость скорости вращения креста от приложенного напряжения при F = 50 Гц, где на вставке показано начало развивающейся ЭГД неустойчивости, относящийся к нелинейн ному участку (а); зависимость порогового напряжения Uth от диаметра капли D и частоты вращения от диаметра капли D (при U = 8.5 В, F = 50 Гц) (б).
(а) (б) (в) (г) (д) (е) Рис. 14. Изображения циклического движения капель при напряжении U = 5.5 B (а)Ц(е).
Рис. 15. Последовательность фаз осцилн Рис. 16. График зависимости времени полн ляций центрального дефекта (линии) для ного цикла T от приложенного напряжения НХЖК с шагом P0.475% = 25 мкм, при чан U двухлучевой полиструктуры, приведеннон стоте приложенного напряжения F = 1 кГц го на рис. 15.
и диаметра капли Dd = 116 мкм (стрелками показано направление движения).
В данном диапазоне шага спирали обнаружены вращающиеся капли с одн ним разрушенным буджумом [7], для которых определен период вращения как функция приложенного напряжения T(U) с учетом их радиусов (U). Путем анализа которых выявлено, что механизм данной неустойчивости является такн же электроконвективным. При уменьшении шага спирали до P0.22% = 54 мкм в капле такого же размера динамика вращения дисклинационной линии трансн формируется в процесс периодического распада буджума на два поверхностн ных дефекта (рис. 14). Определены зависимости периода полного цикла двин жения дисклинационной линии от величины приложенного напряжения и лин нейные скорости движения с учетом диаметра капель.
В разделе 5.2 представлены результаты исследования структурных прен вращений в НХЖК каплях, диаметр D которых значительно больше как толн щины слоя d, так и равновесного шага спирали P.
Обнаружено, что с увеличением приложенного напряжения образуются различные полиструктуры с одним и более лучами в зависимости от диан метра капли. В частности, рассмотрен наиболее простой случай реализан ции полиструктур, двухлучевая нестационарная конфигурация типа УподковыФ (рис. 15). Измерена зависимость времени полного цикла движения двухлучен вой конфигурации капли от приложенного напряжения U, которая представн лена на рис. 16. Исследована также релаксация поля директора от сложных конфигураций его распределения до равновесного состояния ориентационного поля капли, представленного на рис. 17. Обнаружено, что при переключении от напряжений, когда образуются полиструктуры, до напряжений выше пон рога динамической неустойчивости объемный топологический заряд делится на два поверхностных дефекта с последующим их слиянием в один, который затем вновь переходит в объем. Показано,что времена распада (t) и слияния (t) существенно зависят от размера капель D и не вписываются, по порядн Рис. 17. Изображения последовательности промежуточных структур при скачкообразн ном изменении приложенного напряжения от 9.5 В до 5.5 В в разные моменты времени для капли с радиусом R = 62 мкм. (а) полиструкн тура соответствующая напряжению 9.5 В; (б) структура капли после переключения напрян жения до 5.5 В, где стрелками показано форн мирующиеся дефекты на границе; (б - е) расн хождение пары дефектов (стрелками указано крайнее положение пары дефектов); (ж - и) слияние; (к - м) переход поверхностных ден фектов в объем.
ку величины, в обычную схему процесса ориентационной релаксации поля директора, время которой составляет порядка 1 с. При этом переход обън емного дефекта в центр достаточно хорошо согласуется с представлениями об ориентационной релаксации поля директора определяемой толщиной образца.
Раздел 5.3 посвящен изучению ориентационных превращений в каплях, когда равновесный шаг спирали P R радиуса капли.
Обнаружено, что при приложенном переменного напряжения образуются спиральные структуры как левоспиральные, так и правоспиральные (рис. 18), причем этот процеес является периодическим. Показано, что образование лен воспиральных структур связано с наличием в каплях надмолекулярной левосн пиральной структуры и при распространении деформации по оси OZ ведет к левому вращению. В случае правовращающейся спирали следует подчеркн нуть, что явная симметрия причин (симметрия НХЖК и поля) не влечет за собой однозначно симметрию вызываемых ими действий, то есть симметрия НХЖК /2, переменного электрического поля m /m, а симметрия спиральн ных структур 2/m.
Показано, что Объяснены причины образования левовинтовых и правон винтовых спиральных структур с точки зрения феноменологической теории возникновения конической деформации ХЖК в полях [8]. Рассмотрены осн новные динамические характеристики описанных процессов в зависимости от (а) (б) (в) (г) (д) (е) (ж) (з) Рис. 18. Динамика текстур капель НХЖК с левой (аЦг), где диаметр капли - DLh = 86 мкм, и правой (дЦз) закруткой двухзаходных спиралей, с диаметром - DRh = 81 мкм, от зарождения до аннигиляции поверхностных дефектов, где P2.8% = 4 мкм.
(а) (б) (в) Рис. 19. Изображения капли в изотропном окружении и ее внутренней структуры в послен довательные моменты времени: когда ось спирали перпендикулярна плоскости рисунка и электрическому полю соответственно - (а); под 45 C к электрическому полю - (б); когда ось спирали лежит в плоскости образца - (в).
величины приложенного напряжения. Приведены характерные зависимости частот вращения левых и правых спиралей, скорости сближения дефектов на поверхности капли, зависимости полного периода превращений спиральной структуры от зарождения до аннигиляции. Обсужден возможный механизм образования такого типа неустойчивости.
Электрооптика НХЖК капель в постоянном электрическом поле исследон вана в разделе 5.4. Обнаружено, что имеет место эффект вращения НХЖКн капель с шагом спирали P R при приложенном постоянном напряжении U.
На рис. 19 изображена последовательность фаз вращения спирали в капле.
в основе механизма наблюдаемого эффекта лежит ЭГД-эффект, который возникает по причине присутствия в объеме капли заряженных примесей и сильного искривления ориентационного поля, особенно вблизи дефектов.
Установлено, что скорость вращения существенно зависит от приложенного напряжения U и волнового вектора q закрученности капли (рис. 20), которая также указывает на ЭГД-природу вращения капель.
Рис. 20. Зависимость скорости вращения капли от волнового вектора q0 = 2/P0 - невозмун щенной спиральной структуры капли.
Основные результаты и выводы 1. Экспериментально изучен ориентационный переход гомеотроп-ТИК, инн дуцируемый внешним электрическим полем в слое нематохолестерика со слабыми граничными условиями. Получено выражение, определяющее зависимость порогового напряжения для перехода гомеотропная ориенн тация - ТИК от энергии сцепления, толщины слоя жидкого кристалла и материальных параметров НХЖК. Показано, что измерение равнон весного шага спирали нематохолестерика по пороговым напряжениям перехода гомеотроп-ТИК является адекватным только для предельного случая сильной энергии сцепления.
2. Обнаружено, что для капель с большим шагом спирали (P R) в зан висимости от приложенного напряжения происходят изменения граничн ных условий, приводящие к трансформации ориентационного порядка.
Показано, что при увеличении напряжения имеет место ориентационнон структурное превращение от аксиальной текстуры к биполярной конфин гурации. Проведен сравнительный анализ ориентационных структур с существующими в чисто нематических каплях.
3. Обнаружено, что с увеличением концентрации холестерической добавки в нематохолестерических каплях с гомеотропной начальной ориентацин ей имеет место беспороговый ориентационный переход, индуцируемый этой добавкой. При этом область деформационного поля растет от гран ницы ЖК-изотропная фаза с уменьшением гомеотропного ядра вплоть до его сублимации при критическом значении P R. Построена фазовая диаграмма существования капель НХЖК с гомеотропным ядром.
4. Установлено, что наличие условия P R приводит к исчезновению порога Фредерикса в электрическом поле и появлению ситуации, когда каждому напряжению соответствует своя равновесная область дефорн мации, локализованная в окрестности границы капли при сохранении гомеотропного ядра, размер которого сублимируется с увеличением прин ложенного напряжения. Последнее позволяет сделать вывод об эквиван лентности действия электрического поля и холестерических добавок для случая капель с начальной гомеотропной ориентацией молекул и граничн ными условиями, когда ЖК область контактирует с твердыми границами.
5. Исследована динамика дефектов, их взаимное превращение и аннигилян ция в каплях нематохолестерической смеси, находящихся в изотропном окружении при действии квазистатических электрических полей, для случая, когда P R. Показано, что имеет место ситуация, когда явная симметрия причин (НХЖК и поля) не влечет однозначно за собой соотн ветствующую симметрию индуцируемых структур и механических прон цессов, то есть группа симметрии динамических спиральных структур 2/m не является подгруппой пересечения групп симметрии нематохолен стерика /2 и электрического поля m/m.
6. Обнаружен эффект вращения НХЖК-капель в постоянном электричен ском поле для P R. Установлено, что процесс вращения холестеричен ских капель имеет в своей основе ЭГД-эффект КарраЧХелфриха. Сложн ная ориентационная структура капли обусловливает нетривиальную карн тину течений жидкости внутри капли, которая обеспечивает появление ненулевого среднего значения азимутальной скорости потока.
Список публикаций [1] Тимиров, Ю. И. Электрооптика немато-холестерических капель в постон янном электрическом поле / Ю. И. Тимиров, О. С. Тарасов, О. А. Скалн дин // Письма в ЖТФ. Ч 2007. Ч Т. 33. Ч С. 55Ц61.
[2] Делев, В. А. Эффект пространственно-временной синхронизации доменн ных осцилляций в системе электроконвекции нематических жидких крин сталлов / В. А. Делев, О. А. Скалдин, Ю. И. Тимиров // Письма в ЖТФ. Ч 2009. Ч Т. 35. Ч С. 49Ц57.
[3] Скалдин, О. А. О возможности нарушения принципа кюри-неймана в анизотропных средах с дисимметрией / О. А. Скалдин, Ю. И. Тимиров // Письма в ЖЭТФ. Ч 2009. Ч Т. 90. Ч С. 699Ц703.
[4] Скалдин, О. А. О влиянии энергии сцепления на определение шага спин рали / О. А. Скалдин, Ю. И. Тимиров, Ю. А. Лебедев // Письма в ЖТФ. Ч 2010. Ч Т. 36. Ч С. 23Ц30.
[5] Тимиров, Ю. И. Динамика надмолекулярного порядка в нематохолестен рических каплях в электрическом поле / Ю. И. Тимиров, Н. Г. Мигран нов, О. А. Скалдин // Сборник статей XII Всероссийской конференции. Ч Йошкар-Ола: МарГТУ, 2005. Ч С. 237Ц239.
[6] Тимиров, Ю. И. Периодические преобразования дефектов в каплях неман тохолестерического жидкого кристалла в электрических полях / Ю. И. Тин миров, А. Н. Чувыров, О. А. Скалдин // Сборник статей XV Всероссийн ской конференции. Ч Йошкар-Ола: МарГТУ, 2008. Ч С. 105Ц109.
[7] Генерация и распад дефектов в нематохолестерических каплях в электрин ческом поле / Ю. И. Тимиров, А. Н. Чувыров, О. А. Скалдин и др. // Труды Первого междунар. междисципл. симпозиума, Ростов-на-Дону, 2008. Ч Ростов-на-Дону: СКН - ВШ ЮФУ АПСН, 2008. Ч С. 304Ц307.
[8] Гареева, Е. Р. Структура капель с большим шагом спирали / Е. Р. Гареева, Ю. И. Тимиров, О. А. Скалдин // Международная школа-конференция для студентов, аспирантов и молодых ученых Фундаментальная математика и ее приложения в естествознании: Сб. трудов. Ч Уфа: РИО БашГУ, 2011. Ч С. 36Ц41.
[9] Тимиров, Ю. И. Индуцируемые электрическим полем структурные прен вращения в каплях нхжк с малой концентрацией холестерика / Ю. И. Тин миров, О. А. Скалдин // Мавлютовские чтения: Всероссийская молодежн ная конференция: сб. тр. в 5 т. Том 5. Ч Уфа: УГАТУ, 2011. Ч С. 288.
[10] Тимиров, Ю. И. Индуцируемые электрическим полем структурные прен вращения в каплях нхжк с большой концентрацией холестерического дон панта / Ю. И. Тимиров, О. А. Скалдин // Мавлютовские чтения: Всеросн сийская молодежная конференция: сб. тр. в 5 т. Том 5. Ч Уфа: УГАТУ, 2011. Ч С. 289.
[11] Тимиров, Ю. И. Электрооптика хиральных капель в постоянном электрин ческом поле / Ю. И. Тимиров, Н. Г. Мигранов, О. А. Скалдин // Междунар.
уфимская зимняя школа-конф. по матем. и физике для студентов, аспин рантов и молодых ученых: Тезисы докладов. Ч Уфа: РИО БашГУ, 2005. Ч С. 146.
[12] Тимиров, Ю. И. Ориентационные превращения в нематохолестерических каплях индуцируемые электрическими полями / Ю. И. Тимиров, Н. Г. Мин гранов, О. А. Скалдин // Сборник тезисов докладов и сообщений на XIV Всероссийской конференции. Ч Казань: КГУ, 2007. Ч С. 232.
[13] Тимиров, Ю. И. Периодические преобразования дефектов и их аннигилян ция в каплях нематохолестерического жидкого кристалла в электрических полях / Ю. И. Тимиров // Сборник тезисов, материалы 14 Всеросс. науч.
конф. студентов-физиков и молодых ученых. Ч Уфа: АСФ, 2008. Ч С. 151.
[14] Тимиров, Ю. И. Вейвлет анализ структурных дефектов в системе элекн троконвекции закрученных нематиков / Ю. И. Тимиров, В. А. Делев // Сборник тезисов, материалы 14 Всеросс. науч. конф. студентов-физиков и молодых ученых. Ч Уфа: АСФ, 2008. Ч С. 151.
[15] Timirov, Y. I. Periodical transformations of defects and their annihilation in droplets of chiral nematic liquid crystal in electric fields / Y. I. Timirov, A. N. Chuvyrov, O. A. Scaldin // Abs. of The 22 International conference on liquid crystals, Jeju, Korea. Ч 2008. Ч P. 1015.
[16] Индуцируемые электрическим полем структурные превращения в каплях нхжк с большой концентрацией холестерического допанта / Ю. И. Тин миров, В. А. Делев, Ю. А. Лебедев, О. А. Скалдин // Материалы VII Международной научной конференции. Ч Иваново: ИвГУ, 2009. Ч С. 155.
[17] Делев, В. А. Синхронизация доменных автоосциляторов при электроконн векции в нжк / В. А. Делев, Ю. И. Тимиров, О. А. Скалдин // Материалы VII Международной научной конференции. Ч Иваново: ИвГУ, 2009. Ч С. 117.
[18] Тимиров, Ю. И. Ориентационное вращение нематохолестерических кан пель в постоянном электрическом поле / Ю. И. Тимиров, Н. Г. Мигранов, О. А. Скалдин // Международная школа-конференция для студентов, аспин рантов и молодых ученых: Тезисы докладов. Ч Уфа: Рио БашГУ, 2009. Ч С. 148.
[19] Тимиров, Ю. И. Неустойчивости и структурные превращения, индуцируен мые электрическим полем, в каплях нематохолестерика / Ю. И. Тимиров, О. А. Скалдин // Сборник тезисов докладов и сообщений на XVII Всерос.
Конф. Ч Уфа: ИФМК УН - РАН, 2010. Ч С. 195.
[20] Timirov, Y. I. Director dynamics in nematocholesteric droplets in ac electric field / Y. I. Timirov, O. A. Scaldin // Abs. of The 14th International Topical Meeting on Optics of Liquid Crystals. Ч Yerevan: YSU, 2011. Ч P. 47.
Цитированная литература 1. Crandall K. A., Fisch M. R., Petschek R. G., Rosenblatt C. Vanishing Freederн icksz transition threshold voltage in a chiral nematic liquid crystal // Appl. Phys.
Lett. 1994. Vol. 64. Pp. 1741Ц1743.
2. Smalyukh I. I., Senyuk B. I., Palffy-Muhoray P. et al. Electric-field-inн duced nematic-cholesteric transition and three-dimensional director structures in homeotropic cells // Phys. Rev. E. 2005. Vol. 72. P. 061707.
3. Захлевных А. Н., Шавкунов В. С. О переходе холестерикЦнематик в пленках при наличии вырождения оси легкого ориентирования // Вестник ПГУ. Сер.
Физика. 2000. Т. 6. С. 50Ц58.
4. Сутормин В. С., Крахалев М. Н., Прищепа О. О. Температурно индуцирон ванные изменения конфигурации директора в каплях нематика, диспергин рованного в поливинилпирролидоне // Журнал СФУ. Математика и физика.
2009. Т. 2. С. 352Ц359.
5. Chang R. The anisotropic refractive indices of aligned MBBA liquid crystal films // Mol. Cryst. Liq. Cryst. 1974. Vol. 28. Pp. 1Ц8.
6. Беляков В. А., Сонин А. С. Оптика холестерических жидких кристаллов.
М.: Наука, 1982. С. 360.
7. Воловик Г. Е., Лаврентович О. Д. Топологическая динамика дефектов: будн жумы в каплях нематика // ЖЭТФ. 1983. Т. 85, № 6. С. 1997Ц2010.
8. Leslie F. M. Some Thermal Effects in Cholesteric Liquid Crystals // Proc. Roy.
Soc. A. 1968. Vol. 307, no. 1490. Pp. 359Ц372.