Поглощение звука в нематико-холестерических смесях жидких кристаллов

ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

2010 Физика Вып. 1

УДК 532.783

Поглощение звука в нематико -холестерических смесях жидких кристаллов

Б. И. Пирожков, И. Л. Вольхин

Пермский государственный университет, 614990, Пермь, ул. Букирева, 15

Впервые проведено измерение коэффициента поглощения звука в нематико-холестерических смесях жидких кристаллов (растворах холестерил-пропионата в нематике МББА) в области температур, где исследуемые смеси находились в жидкокристаллическом состоянии, состоянии изотропной жидкости и на фазовом переходе между этими состояниями. С ростом концентрации холестерика в смесях температура фазового перехода сначала падает, а затем повышается. Коэффициент поглощения, небольшой при малых концентрациях холестерика, становится очень большим при повышенных концентрациях. Причина этого явления связывается с увеличенной вязкостью смесей.

Ключевые слова: жидкие кристаллы, звук, поглощение.

1. Введение

Нематико-холестерические смеси (НХС) жидких кристаллов (ЖК) - это растворы холестерических жидких кристаллов в нематическом кристалле. Они имеют спиральную закрученность своей структуры, параметры которой определяются концентрацией холестерика в нематике. Именно в таких смесях могут быть получены структуры с очень большим шагом закрученности, пригодные стать несущими жидкостями для получения новых материалов - ферросмектиков и феррохолестериков.

В настоящей работе проведено акустическое исследование НХС, концентрация холестерика в которых лежит в пределах от 0 до 30% (весовых). Измерен коэффициент поглощения звука на частоте 2.2 МГц в интервале температур, включающем в себя области ЖК-состояния, состояния изотропной жидкости (ИЖ) и фазового перехода ЖК-ИЖ.

2. Объекты исследования

Были исследованы НХС, у которых в качестве нематика использован метоксибензилиден-бутил-анилин (МББА), в качестве холестерика - холесте-рил-пропионат (ХП), весовое содержание которого С составляло 5, 10, 15, 20, 22 и 30 весовых процентов. Для приготовления смеси заданной концентрации С масса ХП рассчитывалась по формуле м = М С(100 - С), где М - масса МББА. Далее порошок ХП засыпался в пробирку с МББА. ХП рас-

творяется в МББА медленно, поэтому пробирка со смесью помещалась в водяную баню с температурой 80 - 90°С и интенсивно встряхивалась до получения однородного изотропного раствора. В день эксперимента НХС снова переводилась в состояние ИЖ и в таком виде помещалась в кювету.

3. Экспериментальная установка

На рис. 1 показана схема экспериментальной установки. ЖК-смесь заливается в кювету К, представляющую собой вертикальный посеребренный цилиндр с внутренним диаметром 9 мм, укрепленный на массивном основании Ф. В нижней части кюветы расположен излучатель звука И - плоская круглая пластинка диаметром 5 и толщиной 1 мм, выполненная из пьезоэлектрического материала цирконат-титанат свинца. Генератор Г5-54 направляет на нее электрические импульсы прямоугольной формы длительностью, равной половине периода ее собственных колебаний. С каждым таким импульсом пластинка посылает вверх пакет звуковых колебаний на ее резонансной частоте 2.2 МГц. Пройдя в ЖК расстояние х, они возбуждают в укрепленной на нижнем конце трубки Т приемной пьезопластинке (такой же, как И ) пакет электрических колебаний. Эти колебания усиливаются избирательным усилителем У и поступают на У-вход осциллографа С1-117, работающего в ждущем режиме. На его Х-вход приходят от генератора импульсы синхронизации.

На экране осциллографа измеряются амплитуды сигналов А1 и А2, полученных на двух различ-

© Б. И. Пирожков, И. Л. Вольхин, 2010

25

Б. И. Пирожков, И. Л. Вольхин

Рис. 1. Схема экспериментальной установки

ных расстояниях х1 и х2 при перемещении трубки Т вверх или вниз вдоль отверстия, выполненного в муфте М.

Коэффициент поглощения звука вычисляется по формуле а = 1пА1 /А2(х2 -Х1). Недоступная для

непосредственного измерения разность

заменяется равной ей по величине разностью (12 -11), где I — длина выступающей над муфтой части трубки Т. Положение трубки каждый раз фиксируется стопорным винтом В.

Помещенная в полиэтиленовый пакет кювета располагается в водяном ультратермостате (7-10, где задается необходимая температура и проводятся измерения.

4. Полученные результаты

Результаты измерений представлены на рис. 2, где концентрация ХП составляла 0, 5 и 10%, и на рис. 3, где содержание ХП в смеси было более высоким - до 30%. Везде температура фазового перехода ЖК-ИЖ определяется из положения максимума коэффициента поглощения на оси температур [1].

При малых концентрациях ХП (рис. 2) наблюдаются два следующих эффекта: с ростом содержания ХП температура фазового перехода понижается и высота максимума на кривой а (Т) уменьшается. Эти эффекты соответствуют картине, полученной нами ранее [2] для случая нежидкокристаллических добавок к жидкому кристаллу. Можно предположить, что молекулы ХП, внедренные в среду МББА в небольшом количестве, почти не взаимодействуют между собой, т.е. ведут себя как нежидкокристаллические добавки. Располагаясь между молекулами нематика, молекулы ХП уменьшают энергию их взаимодействия, и пе-

20

25

30

35

40

45

50

55

Т, °С

Рис. 2. Температурная зависимость коэффициента поглощения а для НХС с содержанием холестерика: 1 — 0%, 2 — 5%, 3—10%

Поглощение звука в нематико-холестерических смесях жидких кристаллов

2

Рис. 3. Температурная зависимость коэффициента поглощения а для НХС с содержанием холестерика: 3—10%, 4 — 15%, 5 — 20%; 6—22%; 7—30%

реход смеси в состояние ИЖ происходит при пониженной по сравнению с чистым МББА температуре.

При увеличении содержания холестерика выше 10% (рис. 3 и 4) температура фазового перехода

Рис. 4. Зависимость температуры Т0 фазового перехода ЖК - ИЖ в НХС от весового процента С холестерилпропионата

ЖК-ИЖ перестает падать и постепенно повышается. Это показывают смещающиеся направо вдоль оси температур (рис. 3) максимумы на кривых а(Т). Это повышение температуры перехода с ростом концентрации ХП в НХС имеет следующую причину. Температура плавления у МББА - около 20°С [3], у ХП - значительно выше: около 100°С [4]. Это означает, что энергия взаимодействия молекул ХП между собой превышает аналогичную

энергию у МББА. Можно сказать, что в смесях с концентрацией ХП выше 10% фактором, определяющим температуру перехода, является именно возросшая с ростом концентрации энергия межмо-лекулярного взаимодействия в ХП.

В ЖК-области (22 - 34°С) коэффициент поглощения одинаков у НХС с концентрациями ХП, равными 10, 15 и 20%. При еще более высоком содержании (22 и 30%) холестерика в НХС коэффициент поглощения в этой температурной области значительно увеличивается вследствие роста вязкости смеси. Здесь молекулы холестерика, взаимодействуя между собой, уже образуют сильно закрученную структуру, которая обладает большой эффективной вязкостью.

Список литературы

1. Жен де П. Физика жидких кристаллов. М.: Мир, 1977. 400 с.

2. Пирожков Б. И., Вольхин И. Л. Поглощение звука в жидком кристалле с нежидкокристаллическими добавками // Вестн. Перм. ун-та. 2007. Вып. 1. Физика. С. 72-73.

3. Блинов Л. М. Электро- и магнитооптика жидких кристаллов. М.: Наука, 1978. 384 с.

4. http://www.coleparmer.com/catalog/Msds/80015. htm

Sound absorption in nematic-cholesteric mixtures of liquid crystals

B. I. Pirozhkov, I. L. Volkhin

Perm State University, Bukirev St. 15, 614990, Perm

In nematic-cholesteric mixtures of liquid crystals (solutions of cholesteryl propionate in nematic MBBA) measurement of sound absorption factor was originally done in temperature region where investigated mixtures were in liquid-crystal state, isotropic liquid and on its phase transition. With concentration growth of cholesteric in mixtures the temperature of phase transition first falls, and then rises. Absorption factor is low for small cholesteric concentration, and then becomes high for high concentration. This phenomenon is connected with extended viscosity of mixtures.

Keywords: liquid crystals, sound, absorption.