Поглощение звука в жидком кристалле с нежидкокристаллическими добавками

ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

2007 Физика Вып. 1

Поглощение звука в жидком кристалле с нежидкокристаллическими добавками

Б. И. Пирожков, И. Л. Вольхин

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

Описана установка для измерения коэффициента поглощения ультразвука в жидких кристаллах. Исследована температурная зависимость коэффициента поглощения в смесях МББА с гептаном. Установлено, что с повышением концентрации гептана коэффициент поглощения ультразвука в области фазового перехода уменьшается и температура фазового перехода снижается.

1. Введение

Акустические свойства жидких кристаллов (ЖК) показывают высокую чувствительность к перестройке их структуры, особенно в области температур, примыкающих к температуре Тс фазового перехода ЖК в изотропную жидкость (ИЖ).

Настоящая работа посвящена акустическому исследованию жидкого кристалла метоксибензи-лиден - бутиланилин (МББА) с нежидкокристаллической добавкой - гексаном.

2. Экспериментальная установка

Блок-схема экспериментальной установки показана на рис. 1. Кювета К - вертикальный цилиндр - имеет в нижней части плоскую пьезоэлектрическую пластинку - излучатель И, подключенный к выходу генератора прямоугольных электрических импульсов Г5-54. От генератора на пластинку подаются импульсы напряжения с амплитудой 1 - 3 В. Длительность каждого импульса должна равняться половине периода собственных колебаний пластинки. При этом пластинка будет посылать в исследуемую жидкость пакет звуковых колебаний на се резонансной частоте, которая равняется 2.2 МГц. При распространении в жидкости плоской звуковой волны ее амплитуда уменьшается с расстоянием х по закону: А - Л0 ехр(-ах). Измерив амплитуды А\ и А2 на двух расстояниях х, можно вычислить коэффициент поглощения а = Ах IЛт^-хх). Ультразвуковой сигнал, пройдя через исследуемую жидкость, создает электрическое напряжение на электродах приемной пластины П, которое усиливается резонансным усилителем РУ и регистрируется электронным осциллографом ЭО. Генератор Г5-54 вырабатывает импульс синхронизации, который

Рис. 1. Схема экспериментальной установки

запускает ждущую развертку осциллографа для наблюдения усиленного сигнала с РУ.

Исследуемая жидкость заливалась в кювету, объем которой составлял около 4 см3 и помещалась в водяной ультратсрмостат. Измерения производились при нагреве ступенями О.Зч-З градуса. Температура измерялась ртугным термометром с ценой деления О.ГС. При каждой температуре кювета выдерживалась 5-15 мин. Напряжение, пропорциональное амплитудам А1 и А2, измерялось на экране осциллографа. Для определения разности I = х2~ х\ измерялась длина выступающей над кюветой части стержня С при двух его положениях -х2 И Х\.

© Б. И. Пирожков, И. Л. Вольхин, 2007

Поглощение звука в жидком кристалле с нежидкокристаллическими добавками 73

Рис. 2. Температурная зависимость коэффициента поглощения а в смеси:

1 - МББА 100 %, 2 - МББА 95 %+ гептан 5%, 3 - МББА 90% + гептан 10 %

3. Полученные результаты

В измерениях использовался нематический жидкий кристалл МББЛ. В качестве добавки к нему использовался гептан в концентрации 5 и 10 молярных процента. Температурная зависимость коэффициента поглощения а приведена на рис. 2. Он показывает, что с увеличением концентрации гептана максимум поглощения понижается и смещается в область болсс низких температур. Максимум поглощения соответствует температуре фазового перехода Гс. Понижение Тс качественно можно объяснить следующим образом. Известно [1], что упорядоченное расположение молекул жидкого кристалла создается посредством сил Ван-дср-Ваальса. Молекулы добавки, располагаясь между молекулами жидкого кристалла, ослабляют взаимодействие этих молекул, т.е. понижают энергию их взаимодействия, и поэтому теперь тепловое движение разрушает упорядоченность, т.е. переводит жидкий кристалл в состояние изотропной жидкости при более низкой температуре. Чем выше концентрация добавки, тем сильнее понижается энергия межмолскулярного взаимодействия ЖК фазы и тем ниже температура фазового перехода.

Второй эффект: высота максимума поглощения при температуре фазового перехода из ЖК в ИЖ с ростом концентрации гептана падает. Максимум на кривой поглощения в области фазового перехода имеет релаксационное происхождение. Его высота зависит от соотношения между величиной сот и 1. Здесь со - циклическая частота звуковых колебаний, в нашем случае (о = 1.4-107 с'1, т - время релаксации структуры ЖК после возмущения, вызванного прохождением через ЖК звуковой волны.

Согласно [2] для МББА при температуре Тс т ~ 5*10-8 с. Таким образом сот оказывается порядка

1. При увеличении сот релаксационные явления вырождаются. Это и наблюдается при росте концентрации гептана в смеси: вязкость увеличивается, возрастают величины т и шт, а величина максимума при температуре 7С постепенно падает.

Список литературы

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

2. Eden D., Garland С. IV., Williamson R. S. II J. Chem. Phys. 1973. Vol. 58. P. 1861.