Фазовая характеристика анизотропии поглощения ультразвука в нематических жидких кристаллах во вращающихся и конических магнитных полях

ФАЗОВАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АНИЗОТРОПИИ ПОГЛОЩЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКА В НЕМАТИЧЕСКИХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛАХ ВО ВРАЩАЮЩИХСЯ И КОНИЧЕСКИХ МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ

© 2006 О. А. Тиняков

Импульсным методом фиксированного расстояния на частоте 2.67 МГц исследованы релаксационные свойства нематической фазы трёх веществ ориентированных магнитным полем. Исследования выполнены во всём температурном интервале существования нематической мезофазы.

Изучение фазовой характеристики анизотропии коэффициента поглощения ультразвука в коническом магнитном поле позволило расширить диапазон частот вращения магнитного поля, при котором реализуется синхронный режим.

Выполненные исследования показывают эффективность ультразвуковых измерений для определения кинетических параметров НЖК и изучения динамики их поведения.

Экспериментальные исследования релаксационных свойств жидких кристаллов в переменных магнитных полях открывают широкие возможности для теоретического анализа кинетики процессов изменения ориентации макроскопических объёмов жидких кристаллов, а также для проверки адекватности гидродинамики анизотропных жидкостей в условиях нестационарных возмущений ориентационной структуры.

Импульсным методом фиксированного расстояния на частоте 2.67 МГц исследованы релаксационные свойства в смесях нематических жидких кристаллов, ориентированных магнитным полем индукцией 0.15 Тл -0.29 Тл [1]. Измерения проведены в эвтектической смеси (ЖК-440) п-н-бутил-п-метоксиазоксибензола и н-бутил-п-гептаноилоксиазоксибензола (2:1), в МББА и ЭББА. Исследования выполнены во всём температурном интервале существования нематической мезофазы.

Во вращающемся магнитном поле фазовый сдвиг (ф) и частота смены режимов («к) являются функцией температуры [приложение 1].

На фазовую характеристику коэффициента поглощения ультразвука

оказывает влияние величина индукции (В) ротационного магнитного поля, вследствие изменения момента силы, действующей на молекулы НЖК, что отражается на величине фазового сдвига (ф) между вектором магнитной

индукции (В ) и директором (п ) (рис. 1.).

С ростом температуры угол ф плавно убывает, а при приближении к температуре просветления (Тс), резко устремляется к нулю (рис. 2.).

В коническом магнитном поле [2] вид фазовой характеристики анизотропии поглощения ультразвука остаётся подобным характеристике Ьа{юнг)//2 (Аа = а||-а1, где а11=а(в = 0о), а1=а = а(в = 900), 0 - угол

между волновым вектором и директором) в синхронном режиме во вращающемся магнитном поле, но значение Аа/ /2 уменьшается при стремлении к нулю угла в между вектором напряжённости магнитного поля Н и осью вращения (рис. 3). Однако, с увеличением частоты вращения конического магнитного поля оН до некоторого критического значения о К в момент начала вращения наблюдается кратковременный переходный процесс, характеризуемый резким уменьшением значения Аа/ /2 (рис. 4), а при последующем вращении магнитного поля с частотой

ОН = К вид фазовой характеристики Аа(<онг)//2 и максимальное значение Аа/ /2 остаётся неизменным.

(р°

О -I---------*---------1---------*--------1---------*---------1---------*—

0.10 0.15 0.20 0.25 В. Тл

Рис. 1. Зависимость фазового сдвига от индукции магнитного поля в МББА при частоте вращения <он = 0,18 рад/с и температурах: * - 302,62 К,  - 305,66 К, ◊ — 308,69 К, Д - 310,72 К

О

ф»

25 ж

❖ *

20 \ Ж

А

А ❖

15  О ж

А о ж

10 О  д ❖ ж

О о  А О Ж*жж

О  Д ф ж

5 - о О  о А

п

и I 1 I I I I 1

300 310 320 330 340 350 Т,°К

Рис. 2. Зависимость фазового сдвига в ЭББА от температуры при частотах вращения магнитного поля сон : о - 0,12 рад/с,  - 0,18 рад/с, Д -0,24 рад/с, ◊ -0,31 рад/с, * - 0,36 рад/с.

С уменьшением угла в возрастает значение величины отношения (Аа0 / Аатах = 2), где Ааа, Аатах- анизотропия коэффициента поглощения ультразвука до начала переходного процесса и после его завершения соответственно (рис. 4). Отличительной особенностью фазовых

характеристик коэффициента поглощения ультразвука в НЖК в конических магнитных полях является зависимость параметра Ъ от частоты

вращения магнитного поля (оН ) (рис. 5).

в) г) д)

Рис. 3. Фазовая характеристика Аа(анї) / /2 ЖК-440 в коническом магнитном поле при углах в (град): а) 90; б) 75, в) 60, г) 45, д) 30

магнитном поле при Т = 309,75 К, ОН = 0,72 рад/с, в = 30о

Понижение частоты оН приводит к уменьшению величины Ъ и при

(дН  параметр 2  1. Дальнейшее понижение частоты оН не

приводит к изменению параметра Ъ. Критическая частота конического магнитного поля (оК ) в пределах погрешности эксперимента совпала с частотой смены режимов во вращающемся магнитном поле и для исследованных веществ не зависит от параметра в, являясь функцией лишь температуры (таблица 1). Продолжительность процесса затухания низкочастотной составляющей в нестационарном режиме при дн > дк в коническом магнитном поле оказывается меньше, чем во вращающемся и зависит от угла в. В коническом магнитном поле с уменьшением угла в снижается частота О затухающей низкочастотной составляющей на фазовой характеристике анизотропии коэффициента поглощения ультразвука, что при малых в приводит к отсутствию низкочастотного колебания, даже при больших значениях АТс (рис. 1). При в-45о в коническом магнитном поле в исследованных НЖК в диапазоне частот юн = 0,05 -1,03рад / с и температур Т = 283 - 360К низкочастотной составляющей на фазовой характеристике анизотропии коэффициента поглощения ультразвука не наблюдалось.

Ъ

Рис. 5. Зависимость параметра Ъ от частоты вращения магнитного поля в МББА при Т = 299,43 К

Таблица 1

Критическая частота вращения магнитного поля (Юк) в МББА

ь \ 6 9 12 16 20

90 1,03 0,84 0,69 0,57 0,43

75 1,03 0,82 0,68 0,55 0,42

60 1,03 0,83 0,70 0,56 0,44

45 1,03 0,85 0,67 0,58 0,45

30 1,03 0,83 0,69 0,57 0,41

Таким образом, критическая частота юК в коническом поле, в отличие от частоты юК во вращающемся поле, не является частотой смены режимов.

При повышении частоты вращения конического магнитного поля фазовый сдвиг фК между положением максимального коэффициента поглощения ультразвука и вектором магнитной индукции увеличивается, превышая предельное для вращающегося магнитного поля значение р/4 при юН = юК [приложения 1, 2]. При этом коэффициент поглощения ультразвука изменяется синфазно с полем (рис. 1). По завершении переходного процесса при > юК фазовая характеристика анизотропии коэффициента поглощения ультразвука оказывается подобной зависимости Дa(aнt)//2 при < юК, но величина Да//2 имеет значение, равное Да(ю^)¥ //2, зависящее не только от частоты юн и температуры, но и от угла в.

Изучение фазовой характеристики анизотропии коэффициента поглощения ультразвука в коническом магнитном поле позволило расширить диапазон частот вращения магнитного поля, при котором реализуется синхронный режим.

Выполненные исследования показывают эффективность ультразвуковых измерений для определения кинетических параметров НЖК и изучения динамики их поведения.

Библиографический список

1. Ларионов А.Н., Чернышёв В.В., Мелихов Ю.Ф., Тиняков О. А. Релаксационные свойства жидких кристаллов во вращающихся и конических магнитных полях // Вестник ВГУ. Серия Физика, математика. Научный журнал. -Воронеж, 2002. - №1. - С. 47-51.

2. Геворкян Э.В. Поведение НЖК в меняющихся магнитных полях // Известия ВУЗов СССР. Серия Физика. - 1981. - №4. - С. 57-60.

Приложение 1 Фазовый сдвиг в МББА при в = 90о, Н = 0,25 Тл.

н(рад/с) О Т, К 0,05 0,06 0,12 0,18 0,24 0,31 0,36 0,54 0,72 1,03

296,60 6,8 7,9 15,3 23,0 31,0 37,4 39,8

299,63 6,0 7,5 13,2 21,0 26,1 32,3 38,0

302,66 5,3 6,0 11,5 17,5 22,0 27,7 33,1 40,7 43,0

305,70 4,8 5,0 10,5 15,4 20,0 23,3 30,6 38,9 43,0

308,73 4,5 5,6 9,0 14,2 17,6 21,0 27,8 36,0 43,7

310,76 4,2 5,0 7,3 12,0 14,0 17,4 22,9 31,1 40,9 44,0

312,81 4,0 4,5 6,5 11,0 12,0 16,0 20,6 28,0 38,3 41,5

313,84 3,0 5,0 7,7 10,3 12,0 13,8 18,8 25,4 35,0 41,0

314,36 2,5 4,0 6,8 8,7 11,7 13,6 17,2 24,4 32,6 40,0

314,87 2,0 3,0 5,5 8,6 12,5 13,0 16,2 22,9 31,1 44,0

315,39 1,2 3,1 4,0 7,7 9,6 13,1 15,0 20,8 29,0 41,0

315,90 0,5 2,3 4,0 7,0 8,8 10,8 12,3 19,3 25,4 39,8

316,42 0 0 3,0 6,0 7,0 8,0 10,7 16,6 25,0 37,4

316,93 - - - - - - - -

Приложение 2

Проекция фазового сдвига на плоскость волнового вектора в МББА при в = 45о, Н = 0,20 Тл.

н(рад/с) о Т, К 0,05 0,06 0,12 0,18 0,24 0,31 0,36 0,72 1,03

296,60 11,3 12,0 14,2 38,0 52,0 64,0 70,5 91,5 107,6

299,63 8,7 9,4 11,0 32,8 42,8 55,0 61,9 84,2 103,4

302,66 6,0 8,0 9,5 25,0 36,0 44,0 53,0 77,8 95,6

306,35 3,0 6,0 7,9 22,0 29,0 36,0 44,0 72,6 91,0

308,73 0,0 4,4 5,9 17,0 23,0 30,0 34,0 65,0 83,7

309,62 2,7 5,2 16,4 20,6 28,0 33,6 62,2 80,0

310,26 2,7 5,0 15,0 20,0 26,0 31,3 61,7 78,5

310,76 1,3 5,2 13,6 18,3 24,0 28,6 59,2 77,0

311,35 2,2 4,4 13,7 18,5 22,7 29,0 59,0 74,4

311,78 1,5 4,1 12,4 18,0 21,6 27,0 56,0 74,1

312,30 1,5 5,2 12,0 17,5 21,0 26,0 53,0 72,3

312,81 1,4 3,0 12,0 16,2 20,0 25,0 51,0 70,0

313,33 1,4 3,0 11,0 16,3 19,2 23,0 51,0 68,7

313,84 0,6 2,1 10,2 15,3 19,1 23,0 49,0 66,3

314,36 0,3 1,5 8,7 13,6 17,6 21,4 45,5 64,0

314,87 0,0 1,1 7,5 12,0 15,0 19,0 39,1 62,0

315,39 0,0 6,1 12,0 16,0 18,9 37,1 58,7

315,90 3,5 8,4 12,4 14,8 28,4 53,5

316,42 0,5 3,6 6,1 9,3 12,6 20,0

316,93 - - - - - -