Процессы релаксации ориентации директора нематика при периодическом сдвиге

удк 03, 07

ДЕНИСОВА Ольга Аркадьевна, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики Уфимской государственной академии экономики и сервиса. Автор 75 научных публикаций, в т. ч. одной монографии

ЧуВЫРОВ Александр Николаевич, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой инженерной физики химикотехнологического факультета Башкирского государственного университета. Автор 480 научных публикаций

ПРОЦЕССЫ РЕЛАКСАЦИИ ОРИЕНТАЦИИ ДИРЕКТОРА НЕМАТИКА ПРИ ПЕРИОДИЧЕСКОМ СДВИГЕ

Экспериментально исследовались акустооптические свойства тонких гомеотропных слоев нематических жидких кристаллов под действием низкочастотного периодического сдвига. Исследуемая ячейка представляла собой «сэндвич» с подвижной симметричной пластиной в центре. Обнаружено, что релаксационные процессы переориентации директора после отключения возмущения описываются экспоненциальной временной зависимостью, а сами времена релаксации составляют десятки секунд.

Ключевые слова: нематический жидкий кристалл, релаксация жидких кристаллов.

Введение. В акустооптике жидких кристаллов (ЖК) развивается новое перспективное направление - использование оптических эффектов для создания нового поколения оптических датчиков. Здесь значительный интерес представляет изучение низкочастотной релаксации нематических жидких кристаллов (НЖК) в диапазоне частот до 1 кГц, информация о которой слабо отражена в отечественной и зарубежной литературе. В настоящее время в основном исследуется частотный диапазон 1-100 МГц, где механизмы, определяющие релаксационные процессы, связаны с вращением молекул вокруг длиной оси [1, 2]. В работах [3-7] теоретически и экспериментально исследованы ориентационные неустойчивости жидких кристаллов в ультразвуковом диапазо-

не. Было обнаружено, что критическая колебательная скорость обратно пропорциональна толщине слоя, стационарное искажение макроструктуры однородно вдоль слоя. Показано, что на ультразвуковых частотах необходимо помимо конвективных напряжений привлекать нелинейные напряжения, обусловленные релаксацией структуры нематического кристалла в звуковом поле. В случае низкочастотного сдвига работают вязкоупругие процессы релаксации ориентационного порядка, информация о которых не так велика. В теоретической работе [8] были предсказаны ориентационная и азимутальная неустойчивости нематиков под действием сдвиговой волны. Далее в [9] экспериментально исследовались ориентационная и азимутальная неустойчивости нема-

© Денисова О.А., Чувыров А.Н., 2012

Рис. 1. Вид ячейки сбоку: 1 - проводящее покрытие из хрома Сг толщиной 100 нм, 2 - предметное стекло, 3 - подвижная пластина, 4 - прокладка.

тических жидких кристаллов под действием низкочастотного периодического сдвига. Суть этих эффектов заключалась в следующем. При достижении порогового значения амплитуды внешнего воздействия а1 директор НЖК перестает «отслеживать» движение вибрирующей пластины, что выражается в появлении стационарного угла наклона молекул ЖК 9. При дальнейшем увеличении амплитуды сдвига по достижении порога а2 наблюдается «выход» директора в третье измерение.

Целью данной работы является исследование низкочастотной акустической релаксации тонких гомеотропных слоев нематиков под действием низкочастотного периодического сдвига при ориентационной и азимутальной нестабильностях нематиков.

Материалы и методы исследования. Для регистрации и первичной обработки изучаемых сигналов была собрана экспериментальная установка, основным узлом которой является поляризационно-оптический микроскоп Атр1^а1-Ро1 и. Измерения проводились в диапазоне звуковых частот 0,02-20 кГц. Исследовались нематические слои толщиной до 125 мкм с гомеотропной ориентацией молекул жидкого кристалла. На используемые подложки напылялся металлический хром, который создавал гомеотропную ориентацию. Объектом исследования служил МББА (п-метоксибензилиден-

п-бутиланилин), который имеет нематическую фазу при комнатной температуре. Ячейка представляла собой две полупрозрачные стеклянные пластины, между которыми помещалась третья, более тонкая пластинка толщиной 150 мкм с покрытием из хрома, напыленным на обе стороны, совершающая колебания в горизонтальном направлении (рис. 1).

Прокладки изготавливались из стекла в виде узких полосок из того же материала, что и подвижная пластина 3. Для создания в образце НЖК сдвиговых колебаний мембрана вибратора соединялась с подвижной пластиной при помощи стеклянного волновода. Измерение амплитуды колебаний тонкой подложки ячейки производилось индуктивным датчиком.

В изучаемой экспериментальной ситуации директор движется в плоскости ZY, где У совпадает с горизонтальной плоскостью и направлением колебания пластины (У||и), а Z - с нормалью к плоскости ячейки. Такое движение характеризуется углом 9 (угол отклонения директора от равновесного состояния), отклонение в плоскости 7Х характеризуется углом а и поворот директора в плоскости ХУ - углом ф'.

Результаты и их обсуждение. Для изучения релаксационных процессов под действием периодических сдвиговых колебаний при эффекте образования стационарного угла на-

а

б

Рис. 2. Зависимости: а - ^т29 > от времени при отключении сдвигового течения, действующего 5-120 с, б - времени релаксации от толщины ЖК-слоя

клона директора НЖК был выбран образец МББА толщиной кс=\25 мкм и частота сдвига _/=190 Гц. Анализировались зависимости интенсивности прошедшего света от амплитуды воздействия 1(а), времени воздействия 1(£н) и времени 1(¡) из которых рассчитывались зависимости среднего квадрата синуса стационарного угла наклона директора ^т2% > от амплитуды сдвига при фиксированном времени воздействия, от времени воздействия при фиксированной амплитуде и релаксационные зависимости ^т2в> после отключения сдвигового воздействия. На рис. 2а изображены релаксационные зависимости ^т2в > при отключении сдвига и различного времени действия акустического течения (£н=5-120 с), которые монотонно спадают до нуля.

В целом эти зависимости являются экспоненциальным. В этом случае время релаксации совпадает со временем релаксации при классическом эффекте Фредерикса и равно:

УЛ

1 С

п2 К 22 (2п + 1 )2

Из выражения (1) для данной толщины к с следует значение т ~ 30 с (данные материальных констант у1=77 сП, К22=4х10~1 дин взяты из [10]). По данным релаксационных зависи-

мостей среднего квадрата стационарного угла наклона директора ^т2в> после отключения периодического сдвига определялись времена релаксации. Было обнаружено, что значения времен релаксации монотонно возрастают от амплитуды воздействия. Зависимость времени релаксации от времени воздействия показала, что величина т сначала возрастает до некоторого значения времени воздействия £н, затем происходит его насыщение, что говорит о наличии в ЖК-системе долговременных мод, приводящих к установлению равновесия при воздействии сдвига. Поскольку представленные выше данные относились к ситуации, когда толщина слоя Ис=125 мкм, то вполне закономерно исследовать вопрос о влиянии пространственных размеров ЖК-системы - толщины слоя нематика на характерные релаксационные времена. На рис. 2б представлены зависимости времен релаксации от толщины ЖК-слоя - т(к) при разных амплитудах сдвига и фиксированном времени воздействия. Из представленной зависимости следует, что времена релаксации т с увеличением толщины ЖК-слоя хорошо описываются представленной выше аналитической зависимостью (1) типа т ~к2, отражающей процесс переориентации директора и переход к равновесному состоянию ЖК-системы при классическом эффекте Фредерикса.

т

Для изучения релаксационных процессов при эффекте «выхода» директора из плоскости осцилляции в третье измерение была выбрана ячейка с ЖК-слоем толщиной Лс=105 мкм, т. к. эта толщина является началом нелинейного роста порога по толщине. Для этого исследовались релаксационные зависимости оптического сигнала после отключения сдвига при различных временах воздействия £и амплитудах а (николи скрещены, а направление сдвига совпадало с поляризатором) (рис. 3). При £н=5 с сигнал 1(г) резко спадает, а затем медленно релаксирует до нуля. Времена перехода к равновесному гомеотропному состоянию составляют порядка 10 с. При увеличении времени воздействия до 10 с характер оптического сигнала меняется. С одной стороны, сохраняется начальная фаза резкого спада, с другой - после достижения минимума слой снова просветляется, положение максимума интенсивности на временной оси не зависит от времени воздействия как параметра, хотя интенсивность самого максимума растет.

Рис. 3. Временные зависимости оптического сигнала при различных временах воздействия £ сдвигового течения

Появление просветления связано с развитием Тwist-моды, влияющей на образование обратных потоков в ЖК. Фактически рост амплитуды максимума отражает также и рост максимального угла «выхода» директора из первоначальной плоскости осцилляции ZУ.

По данным временных зависимостей оптического сигнала были рассчитаны зависимости угла поворота директора ф ’ в плоскости ХУ от амплитуды сдвига, времени воздействия £н и релаксационные зависимости ф’ после отключения воздействия. Поведение угла ф ’(а) при фиксированном £н=50 с коррелирует с поведением ф ’тах(а), рассчитанного по начальной фазе интенсивности прошедшего света после отключения воздействия. По данным временных зависимостей I(^ а) при 1=свт1 были построены зависимости ф ’(^ а), некоторые из которых показаны на рис. 4. Из них следует, что ф ’(^ достаточно долго релаксирует (~ 20-50 с) до равновесного состояния. По существу, этот процесс аналогичен релаксации при твист-деформации планарно ориентированного НЖК в магнитном поле и может быть описан уравнением [10]:

К 22 Є*

Ух 9,.

Решение этого уравнения (при любых 9) дает экспоненциальный спад 9 с набором постоянных времен (1). Оценки времен из этой формулы дают то ~ 10 с (при п=0) (данные по материальным параметрам взяты из [10]).

Рис. 4. Временная зависимость угла поворота директора ф’ в плоскости ХЇ

Используя данные для оптического сигнала 1(1) (рис. 3), мы рассчитали зависимости времен релаксации от амплитуды сдвига а, времени воздействия £и толщины ЖК-слоя кс.

Из рис. 5а следует, что времена релаксации т линейно зависят от амплитуды сдвига. Анализируя зависимость времени релаксации т от времени воздействия £ можно сделать вывод, что эта величина сначала резко нарастает, затем выходит на плато (рис. 5б), и она аналогична поведению времени релаксации т при процессе образования стационарного угла наклона директора под действием сдвига.

а

очень долго. Зависимости времен релаксации от толщины ЖК-слоя при различных амплитудах воздействия квадратичные по толщине и хорошо описываются формулой (1), применимой для случая релаксации при эффекте Фредерикса в магнитном поле. Последнее указывает на глубокую связь этих двух явлений. Кроме того, зависимость времени установления равновесия в ЖК-системе от времени воздействия показывает, что в ЖК-слое существует долгоживущая Тwist-модa, приводящая к «выходу» директора из первоначальной плоскости колебания в третье измерение и образованию твист-деформации [8].

б

Рис. 5. Зависимости времен релаксации т от: а - амплитуды сдвига при = 50 с, б - времени воздействия при а = 50 мкм

Заключение. Таким образом, показано, что релаксационные процессы реориентации директора в НЖК после отключения возмущения, создаваемого поперечной вязкоупругой волной, описываются экспоненциальной временной зависимостью, причем характерные времена т составляют десятки секунд. Такие большие времена релаксации могут быть связаны с образованием в объеме жидкого кристалла петель или доменных стенок, релаксация которых идет

Полученные экспериментальные результаты могут быть полезными при дальнейшей разработке теории нелинейных явлений жидких кристаллов. Результаты представленных исследований могут быть использованы при разработке сейсмодатчиков, акустических низкочастотных преобразователей и сенсорных устройств, модуляторов и дефлекторов света с большой глубиной модуляции и большим углом дефлекции.

Список литературы

1. Капустин А.Н., Капустина О.А. Акустика жидких кристаллов. М., 1986.

2. Капустина О.А. Пути совершенствования акустооптических преобразователей на жидких кристаллах // Акуст. журнал. 2000. Т. 46, № 2. С. 204-210.

3. Капустина О.А. Пороговый ориентационный переход в нематических жидких кристаллах под действием ультразвука // Там же. 2006. Т. 52, № 4. С. 485-489.

4. Кожевников Е.Н. Акустические потоки в слое нематического жидкого кристалла при бинарном воздействии звуковых и вязких волн // Там же. 2010. Т. 56, № 1. С. 26-35.

5. Acoustooptic Response of Nematic Liquid Crystals // J. Appl. Phys. 2003. V 94. № 12. P. 7571-7575.

6. Кожевников Е.Н. Деформация гомеотропного НЖК-слоя при наклонном падении ультразвуковой волны // Акуст. журнал. 2005. Т. 51, № 6. С. 795-801.

7. Кожевников Е.Н., Долматова Н.Г. Переход Фредерикса в гомеотропно ориентированном слое нематического жидкого кристалла при нормальном падении ультразвуковой волны // Вестн. Самар. гос. ун-та. 2003. № 2(4). С. 142-152.

8. Krekhov А.Р., Kramer L. Orientational Instability of Nematics under Oscillatory Flow // J. Phys., France. 1994. V. 4. № 6. P. 677-688.

9. Baimakova (Denisova) О.А., Scaldin О.А., ChuvyrovA.N. The Orientational Instability of Nematic Layers under Oscillatory Shear // Mol. Cryst. Liq. Cryst. 1995. V 265. P. 299-314.

10. Блинов Л.М. Электро-магнитооптика жидких кристаллов. М., 1977.

Denisova Olga Arkadyevna

Ufa State Academy of Economics and Service, Physics Department

Chuvyrov Alexander Nikolaevich

Bashkir State University, Faculty of Chemistry and Technology

RELAXATION OF THE NEMATICS DIRECTOR ORIENTATION

AT PERIODIC SHIFT

Experimental investigation of acoustic and optical properties of thin homeotropic layers of nematic liquid crystals under the influence of a low-frequency periodic shift has been carried out. The cell under study was a «sandwich» with a moving symmetrical plate in the centre. It was found that the relaxation processes of the director reorientation after disabling the perturbation are described by exponential time dependence; the relaxation times are tens of seconds.

Key words: nematic liquid crystal, relaxation of liquid crystals.

Контактная информация: Денисова Ольга Аркадьевна e-mail: denisovaolga@bk.ru Чувыров Александр Николаевич e-mail: pavlenkond@mail.ru

Рецензент - ШестаковЛ.Н., доктор физико-математических наук, профессор, первый проректор по образованию и науке Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова