Один из методов экспериментальных исследований жидких кристаллов

НАНОЭЛЕКТРОНИКА И КБАНТОБЫЕ

ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ NANOELECTRONICS AND QUANTUM DATA SYSTEMS

Денисова О.А. Denisova O.A.

кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Физика» Уфимского государственного университета экономики и сервиса, Россия, г. Уфа

УДК 535, 534

ОДИН ИЗ МЕТОДОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ

В работе описан метод возбуждения гармонических сдвиговых колебаний (метод фонера, маятниковый способ), который впервые реализован в данной работе. Он применялся для экспериментального исследования жидких кристаллов под действием механического сдвига. Впервые были обнаружены эффекты ориентационной и азимутальной неустойчивостей. Результаты проведенных исследований могут быть использованы при разработке датчиков вибрации для конструкций, зданий, сооружений, например, для нефтегазовой отрасли.

Ключевые слова: нематический жидкий кристалл, периодический сдвиг, ориентационная неустойчивость, азимутальная неустойчивость.

ONE OF THE METHODS OF EXPERIMENTAL RESEARCH LIQUID CRYSTALS

This paper describes the method of harmonic excitation of shear waves (method phoner, pendulum method), which was first implemented in this paper. It was used for the experimental study of liquid crystals under mechanical shear. Were first discovered the effects of orientation and azimuthal instabilities. The results of the research can be used in the development of vibration sensors for structures, buildings, structures, for example, the oil and gasindustry.

Key words: nematic liquid crystal, a periodic shift the orientation instability azimuthal instability.

Со времени проведения первой Международной конференции по жидким кристаллам (ЖК), которая состоялась в 1965 году в Кентском университете в США, связь этих систем с различными аспектами лазерной, дисплейной техники, информационных оптических технологий, термооптики, медицины и т. д. стала предметом оживленной полемики. Жидкий кристалл, являясь уникальной мезоморфной фазой вещества, сочетает в себе свойства как твердых тел (наличие дальнего ориентационного

порядка и проявление брэгговской дифракции), так и жидкостей (проявление текучести, вязкости).

Действительно, с недавнего времени очень большой интерес вызывают состояния вещества, промежуточные между жидкостью и твердым телом. Такие состояния имеют важные практические приложения, а кроме того, их исследование открывает путь к решению фундаментальных проблем статистической физики. Как сказал П. де Жен: «Жидкие кристаллы красивы и загадочны. Меня

восхищает и то и другое».

Хотя жидкие кристаллы известны уже более ста лет, лишь в последние годы они привлекли пристальное внимание физиков. Эта вспышка интереса была вызвана многими причинами. Во-первых, жидкие кристаллы ускорили революцию в технике устройств визуального представления информации (дисплеев), а это заинтересовало тех, кто занимается фундаментальными исследованиями. Во-вторых, жидкокристаллическое состояние присуще многим биологически активным системам, в том числе и человеческому телу, и потому является одним из важнейших направлений биологических исследований. В-третьих, и это важнее всего, физика жидких кристаллов оказалась необычайно сложной. Лишь благодаря успехам, достигнутым теорией фазовых переходов, наметился более или менее определенный подход к основным проблемам физики жидких кристаллов. Но и сейчас многие из этих фундаментальных проблем остаются нерешенными.

Нематики и холестерики очень чувствительны к внешним полям. Первые эффекты, обусловленные влиянием магнитного поля, были найдены в 30-х и 40-х годах прошлого века группами советских ученых под руководством В.К. Фредерикса и В.Н. Цветкова. В последнее время возрос интерес к жидким кристаллам как к наноматериалам. Размеры молекул жидкого кристалла - от 5 А в толщину и 30 А в длину, до 200 А в толщину и 3000 А в длину, например, для вируса табачной мозаики. Биологические мембраны - это тонкие (~80 А) листики из липидов и белков. Они играют ключевую роль во многих жизненных процессах, но об их структуре известно мало. Большая часть физических экспериментов (например, ЯМР) не может быть осуществлена на отдельной мембране, поскольку она содержит слишком мало вещества. Однако можно создать модельную систему из липидов и воды или даже из липида, белка и воды, имеющую ламел-лярную (слоистую) структуру. Предполагается, что каждый отдельный слой будет аналогом мембраны.

Целью представленной работы было экспериментально обнаружить и исследовать ориентаци-онную неустойчивость (акустический аналог перехода Фредерикса) и азимутальную неустойчивость. Оба эффекта имеют место из-за нарушения пространственной симметрии ЖК-системы. Жидкокристаллический порядок затрагивает многие физические свойства вещества, а поэтому жидкие кристаллы можно исследовать различными экспериментальными методами: ультразвуковым, методом ядерного магнитного резонанса, электронного, парамагнитного резонанса, методами линейной

и нелинейной оптики. Для обнаружения и экспериментального изучения упомянутых выше эффектов был предложен и разработан новый метод. Предложил его доктор физико-математических наук, профессор Башкирского государственного университета, увы, ныне покойный, Чувыров Александр Николаевич. А впервые реализован метод фонера (маятниковый способ) в представленной работе.

Выбор объектов исследования в данной работе определялся: во-первых, наличием в литературе экспериментальных данных о параметрах ЖК-веществ как общего [1, 2, 3, 4, 5], так и специального характера; во-вторых, необходимостью разработки единой методики изучения свойств, а также процессов структурообразования в ЖК, инициируемых акустическими полями:

- п - метоксибензилиден - п - бутиланилин (МББА). МББА является одним из наиболее распространенных и изученных жидких кристаллов. Температурный интервал существования мезофазы 18-42 оС. Молекулы этого соединения имеют ярко выраженную анизотропную форму с дипольным моментом, направленным под углом к длинной оси молекулы, р~2,6 Д. Анизотропия диэлектрической проницаемости еа = -0,56. Стереометрия расположения атомов в молекуле МББА позволяет аппроксимировать ее форму как в виде «капли», так и в виде «банана»;

- 4 - октил - 4' - цианобифенил (ОЦБ). Температурный интервал существования мезофазы 3441,3 °С. Дипольный момент р~5,0 Д. Анизотропия диэлектрической проницаемости еа > 0. Исследуемое соединение ОЦБ образовано сильно поляризованными молекулами, дипольный момент которого определяется С^связью. Форму молекулы можно приблизительно считать клиновидной или в виде вытянутой капли.

Для проведения экспериментальных исследований свойств ЖК с целью поиска ориентационной и азимутальной неустойчивостей использовались ячейки типа «сэндвич». Для исследования воздействия акустических полей рассматривались различные конструкции экспериментальных ячеек, которые представлены в таблице. Ячейка собирается из прозрачных стеклянных пластин (20 х 30 х 2 мм).

Проводящее покрытие из хрома на пластинах, образующих ячейку, позволяло получать гомео-тропную ориентацию молекул ЖК. При использовании методики зондирования ЖК-молекул сдвиговыми колебаниями в качестве прокладок служило покровное стекло, изготовленное в виде узких полосок толщиной 130-200 мкм. В общем случае для исследования представляют интерес пленки тол-

щиной h ~ 10-135 мкм. Для получения гомеотроп-ной ориентации использовался метод спонтанной ориентации молекул [2], который состоит в следующем. Жидкий кристалл, помещенный в ячейку-капилляр, нагревался до температуры на 10-15оС выше температуры фазового перехода в изотропное состояние с последующим охлаждением до образования мезофазы. После чего гомеотропная ориентация молекул возникает самопроизвольно, т. е. спонтанно.

Для получения планарной ориентации молекул ЖК подложки натирались бумагой высокого качества или алмазной пастой. Далее на подложки наносилась двуокись олова SnО2 путем восстановления 4-хлористого олова в потоке кислорода при температуре 470 оС.

Заполнение капилляра нематическим жидким кристаллом обычно осуществляется с последую-

Конструкции измерительных яче

щим использованием капиллярных сил, поэтому для работы с теми жидкими кристаллами, у которых температура существования мезофазы выше комнатной, необходимо заполнение ячейки проводить при температуре, соответствующей немати-ческому состоянию конкретного кристалла. В итоге этой процедуры молекулы жидкого кристалла принимают планарную ориентацию, которая легко контролировалась с помощью поляризационного микроскопа.

Таким образом, в этом случае ячейка представляла собой конденсатор с некоторой частью свободного пространства, через которое посредством микрошприца жидкий кристалл заправлялся в ячейку. Если исследуемое вещество находилось в твердой фазе при комнатной температуре, то ячейка нагревалась до температуры плавления этого кристалла, и далее ЖК заправлялся аналогично.

Таблица

к, применяемых в экспериментах

Вид ячеек сбоку Электрооптические ячейки

I - микрорельеф на поверхности пластин, 2 - стеклянные пластины, 3 - иланарно- ориентированный ЖК, 4 прокладки.

I - проводящее покрытие из хрома, 2 - стеклянные пластины, 3 - гомеотропноориентированный ЖК, 4 — прокладки.

Tuhci— ячейки

1 -ЖК, 2 - стеклянные пластины, 3 -прокладки.

1 - ЖК, 2 - стеклянные пластины, 3 -прокладки, 4 - тонкая подвижная пластина.

] — ЖК, 2 - стеклянные пластины, 3 -прокладки, 4 тонкая подвижная пластина.

1 - ЖК, 2 - стеклянные пластины, 3 -прокладки, 4 тонкая подвижная пластина.

Продолжение таблицы

/ у //////////у

- -

//////////у

] - ЖК, 2 - стеклянные пластины, 3 - прокладки, 4 - тонкая подвижная пластина.

Ячейка, используемая при периодическом сдвиге

1 / f / / / / / / / У /

- :! Ii ',h Ii ' i' |l ,1 i1,! 1

/ / / / / / / У

1 — проводящее покрытие из хрома, 2 — стеклянная пластина, 3 - тонкая подвижная пластина, 4 — прокладка, 5 -ЖК.

Электрооптический эффект в нематических жидких кристаллах (НЖК) связан с поворотом оптической индикатрисы, поэтому методика исследования электрооптического эффекта в НЖК мало чем отличается от методики исследования электрооптического эффекта в твердых телах. Поскольку НЖК одноосны, то исследования электрооптического эффекта можно проводить поляризационно-оптическими методами. Обоснование этого следует из того, что при повороте оптической индикатрисы изменяется лишь один показатель преломления.

Поляризационно-оптические методы формально можно разделить на нулевые и ненулевые. Последние имеют в схеме элемент, компенсирующий разность хода. Это значительно увеличивает точность измерения показателя преломления, но затрудняет проведение изменения показателей преломления быстро протекающих процессов. Поэтому ненулевые методы применялись в схемах с медленным изменением показателей преломления. Ненулевой и нулевой поляризационно-оптические методы чаще всего используются для исследования динамики процессов.

Практически оба рассмотренных метода были реализованы на основе поляризационного микроскопа Amplival Pol U (рис. 1, 2). Источником света служила лампа микроскопа или когерентный источник света от лазера ЛГИ-5 (длина волны X = 627 нм) [6, 7]. Для выделения узкой монохроматической ли-

нии около 0,5 нм применялась спектрофотометри-ческая приставка (СФН), позволяющая проводить исследования в диапазоне длин волн 0,22-0,80 мкм. Кроме того, приставка позволяла проводить измерения двулучепреломления участка ЖК~1 мкм. Световой поток регистрировался фотоэлектронным умножителем (ФЭУ). Прошедший через ячейку с НЖК свет, промодулированный локальным изменением оптической анизотропии Ап(), преобразовывался в электрический сигнал с помощью фотоэлектронного умножителя ФЭУ-79, который находится в составе СФН. Прошедшая или отраженная от ячейки световая волна регистрировалась приставкой типа СФН-10. Постоянная компонента светового потока далее фиксировалась милливольтметром постоянного тока. Переменный во времени оптический сигнал 1(1) и его гармоники 1(пш, 0 усиливались и детектировались селективным усилителем (У2-8 или Унипан-233), а при необходимости сигнал выводился на самописец, графопостроитель.

В данной работе использовался прибор для исследования вероятностных характеристик случайных процессов. Во время эксперимента производилась прямая запись оптического сигнала и спектров. Далее информация записывалась на компьютер в виде файла, удобного для дальнейшей обработки данных. Конструкция прибора Х6-11 позволяла наблюдать получаемый сигнал на мониторе, который находится на лицевой панели прибора. От-

t t t

k " /

1 1 1 II

l l l l l

у

I _ _ ^ ^ ^ _ _ I

Рис. 2. Блок-схема поляризационно-оптической установки для исследования акустооптических эффектов (сдвиг): 1 - источник звуковых колебаний; 2 - предметный столик; 3 - поляризационный микроскоп с фотометрической приставкой; 4 - дифференциальная термопара; 5 - микровольтметр постоянного тока; 6 - милливольтметр постоянного тока; 7 - селективный усилитель У2-8; 8 - АЦП; 9 - компьютер; 10 - прибор Х6-11

ношение «сигнал/шум» составляло 103.

Необходимо отметить, что в данной работе впервые был реализован метод фонера и маятниковая система возбуждения сдвиговых колебаний. Подвижная пластина ячейки соединялась с фонером с помощью тонкого стеклянного волновода, что позволяло передавать колебательные движения ячейке с ЖК. Этот способ воздействия на ЖК-ячейку отличается от других способов, применявшихся ранее

российскими и зарубежными исследователями. Видимо, использование именно вышеуказанных конструкций ячеек и методов возбуждения ориентаци-онных волн в слоях жидких кристаллов, а также методов регистрации исследуемых сигналов дало возможность наблюдать эффекты ориентационной и азимутальной неустойчивостей.

Суть эффекта ориентационной неустойчивости заключается в следующем. При действии низкоча-

стотного периодического сдвига (частота воздействия ~ 100 Гц) малой амплитуды наблюдается эффект фотоупругости. Молекулы жидкого кристалла колеблются симметрично относительно нормали к ячейке по направлению сдвига и против него. При

достижении амплитуды сдвига ~ 0,8 мкм симметрия образца нарушается, и молекулы ЖК выстраиваются под углом 9 к нормали ячейки (рис. 3). Эффект имеет пороговый характер возникновения.

сдвиг

—Г

/

/ / / /

0/

1

гттт

гггт

,1111111 /////// //////// /// / / // /

11(1111(1

Рис. 3. Иллюстрация акустического перехода Фредерикса

а(. мкм 1.0-1 Л-

0.5-

а)

200 Ш Гц 400

600

1-

+

•—•— • «

300

да. Гц

6О0

а)

а,, мкм 1,0

0,5

б)

50

11с .мкм

100 150

цш

12"

6-

» « «

50

кс, мкм

100

б)

150

Рис. 4. Зависимости порога возникновения эффекта Фредерикса от: а) частоты и б) толщины ЖК-слоя

Было обнаружено, что порог а1 не зависит от частоты, температуры и толщины ЖК-слоя (рис. 4). Обнаруженный эффект является акустическим аналогом перехода Фредерикса [8-12, 15].

Эффект азимутальной неустойчивости наблюдается при дальнейшем увеличении амплитуды сдвига до ~1,4 мкм. Молекулы жидкого кристалла ведут себя как «волчок». Директор поворачивается на определенный угол а, покидая плоскость первоначального колебания. Причем конец директора описывает эллиптическую траекторию [8-13].

Рис. 5. Зависимости порога возникновения азимутальной неустойчивости от: а) частоты и б) толщины ЖК-слоя

Порог не зависит от частоты и температуры, но зависит от толщины ЖК-слоя (рис. 5). Оба перехода были теоретически предсказаны в работе Крехова, Крамера, Буки, Чувырова [14].

Таким образом, в статье описан впервые реализованный в данной работе метод фонера (маятниковый способ) экспериментального исследования жидких кристаллов под действием периодических сдвиговых колебаний, позволяющий обнаружить эффекты ориентационной и азимутальной неустойчивости, изучение которых полезно с точки зрения

практического применения. Oткрытые эффекты могут быть использованы, например, при разработке датчиков вибрации или сейсмодатчиков.

Список литературы

1. Де Жен П. Физика жидких кристаллов [Текст] I Де Жен П. - М.: Мир, 1977. - 377 с.

2. Капустина O.A. Aкустооптические свойства жидких кристаллов и их применение [Текст] I O.A. Капустина. - Л.: ЦНИИ РУМБ, 1979. - 196 с.

3. Сонин A.C. Ведение в физику жидких кристаллов I A.C. Сонин. - М.: Наука, 1983. - 319 с.

4. Таблицы физических величин. Справочник [Текст] I Под редакцией И.К. Кикоина. - М.: Ato-миздат, 1976. - 1006 с.

5. Гребенников E.A. Метод усреднения в прикладных задачах [Текст] I E.A. Гребенников. - М.: Наука, 1986. - 255 с.

6. Галактионов Н.И. Твердотельный лазер с амплитудным шумом на уровне естественного и его применение для сверхчувствительных измерений [Текст] I Н.И. Галактионов II Письма в ЖТФ. -1978. - Т. 4. - Вып. 16. - С. 1001-1005.

7. Miike Hidetoshi. Laser light scattering study on the electrohydrodynamic instability of NLC [Тех^ I Miike Hidetoshi, Kuriyaffla Ysuo, Hashimoto Hajime, Ebina Yoshio II J. Phys. Soc. Jap. - 1984. - Vol. 53. -№ 10. - P. 3280-3283.

8. Baimakova O.A. The orientational instability of nematic layers under oscillatory shear [Тех^ I O.A. Baimakova, O.A. Scaldin, A.N. Chuvyrov II Mol. Cryst. Liq. Cryst. - 1995. - Vol. 265. - P. 299-314.

9. Денисова O.A. Oптические датчики вибрации на основе жидких кристаллов с гомеотроп-ной ориентацией молекул [Текст] I O.A. Денисова,

А.Н. Чувыров // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». - 2011. - № 5. - С. 367-375. - URL: http:// www.ogbus.ru /authors/ Denisova/ Denisova_1. pdf.

10. Денисова О.А. Структурные переходы в жидких кристаллах. Влияние осциллирующих потоков и электрических полей [Текст] / О.А. Денисова, А.Н. Чувыров // LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG, Saarbrucken, Germany, 2012. - 266 c.

11. Чувыров А.Н. Физика жидких кристаллов: поверхность: научное издание [Текст] / А.Н. Чувыров, О.А. Денисова, Ф.М. Гирфанова. - Уфа: Уфимская государственная академия экономики и сервиса, 2009. - 324 с.

12. Денисова О.А. Неравновесные структурные превращения жидких кристаллов в электрических полях и акустических потоках: научное издание [Текст] / О.А. Денисова. - Уфа: Уфимская государственная академия экономики и сервиса, 2012. - 188 с.

13. Денисова О.А. Возможный механизм возникновения эффекта азимутальной неустойчивости жидких кристаллов [Текст] / О.А. Денисова, А.Н. Чувыров // Вестник Челябинского государственного университета. - 2011. - Вып. 10. - № 15 (230). - С. 42-44.

14. Krekhov A.P. Flow alignment of nematics under oscillatory shear [Тех^ / A.P. Krekhov, L. Kramer, A. Buka, A.N. Chuvyrov// J. Phys., France. - 1993. -V. 3. - № 9. - PP. 1387-1397.

15. Денисова О.А. Акустооптические датчики вибрации на основе нематических жидких кристаллов [Текст] / О.А. Денисова // Сборник научных статей 9-й Международной научно-технической конференции «Инновации и перспективы сервиса». - Уфа: УГУЭС, 2012. - Ч. II. - С. 137-141.