Реологические свойства нематических жидких кристаллов при воздействии поверхностей, электрического поля и светового излучения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат наук Семина, Ольга Александровна

• Семина, Ольга Александровна
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Семина, Ольга Александровна

ВВЕДЕНИЕ.........................................................................................4

Глава 1. Обзор результатов теоретических и экспериментальных исследований реологических свойств жидких кристаллов................................................................12

1.1. Структура и классификация жидких кристаллов..............................................12

1.2. Анизотропия физических свойств жидких кристаллов....................................15

1.3. Физические явления в потоках жидких кристаллов.........................................16

1.4. Методы измерения анизотропных сдвиговых вязкостей нематических жидких кристаллов........................................................................................................21

1.5. Измерения анизотропных сдвиговых вязкостей в потоках жидких кристаллов, стабилизированных поверхностями........................................................38

1.6. Постановка задачи исследования, выбор экспериментального метода и

объектов исследования..................................................................................................47

Глава 2. Методики создания жидкокристаллических ячеек и проведения экспериментальных исследований объемных реологических свойств нематических жидких кристаллов, ориентированных поверхностями.............................................52

2.1. Методики создания поверхностной ориентации..............................................52

2.2. Этапы создания жидкокристаллической ячейки с фотоориентируемыми поверхностями...............................................................................................................57

2.3. Метод затухающего потока Пуазейля для реологических исследований..................................................................................................................58

2.4. Метод измерения толщины исследуемого образца с планарной ориентацией...................................................................................................................60

2.5. Конструкции экспериментальных жидкокристаллических ячеек................................................................................................................................61

2.6. Экспериментальная установка и методики получения экспериментальных данных............................................................................................................................66

2.7. Экспериментальные результаты исследования реологических свойств нематических жидких кристаллов в затухающем потоке Пуазейля и их

обсуждение.....................................................................................................................74

Глава 3. Изучение глайдинга легкой оси в жидкокристаллических ячейках с фотоуправляемыми поверхностями при дополнительном воздействии электрического поля......................................................................................................85

3.1. Технология изготовления экспериментальной жидкокристаллической ячейки.............................................................................................................................87

3.2. Схема экспериментальной установки и методика проведения эксперимента по комбинированному воздействию светового излучения и электрического поля на ориентацию жидкокристаллического слоя.................................................................89

3.3. Полученные результаты и их обсуждение........................................................92

Глава 4. Исследование реологических свойств жидких кристаллов при сильных пространственных ограничениях и дополнительном воздействии электрического поля...............................................................................................................................101

4.1. Применение метода затухающего потока Пуазейля для измерений сдвиговой вязкости ЖК при сильных пространственных ограничениях.................................102

4.2. Конструкция измерительной ячейки и геометрия эксперимента.................104

4.3. Полученные результаты и их обсуждение......................................................106

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................116

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................................118

ПРИЛОЖЕНИЕ А........................................................................................................129

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

142

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Жидкие кристаллы (ЖК) относятся к конденсированным частично упорядоченным средам. Простейшим примером ЖК являются нематические жидкие кристаллы (НЖК), отличающиеся от изотропной жидкости наличием ориентационной упорядоченности длинных осей молекул, среднее направление которых определяется единичным вектором - директором п. Присущая НЖК связь директора п и градиентов скорости приводит к целому ряду специфических явлений, таких как ориентация потоком, возникновение гидродинамических неустойчивостей и т.д. В связи с этим НЖК демонстрируют сложное реологическое поведение в сдвиговых течениях, являясь в общем случае неньютоновскими жидкостями. На молекулярном уровне диссипация энергии в потоках ЖК за счет вязкостных потерь, описываемая в терминах эффективной сдвиговой вязкости, связана с переносом импульса в пространственно неоднородной анизотропной среде. Ориентационная структура, формируемая в потоках жидких кристаллов, определяется коллективным взаимодействием ориентационных и трансляционных молекулярных движений, ориентирующим воздействием магнитных или электрических полей, а также характером взаимодействия приграничных слоев ЖК с поверхностью твердого тела. Предложенные к настоящему времени микроскопические теории вязкости НЖК позволяют на качественном уровне установить некоторые связи молекулярного строения с макроскопическими явлениями (например, ориентацией потоком), однако они не решают задачу количественного расчета анизотропных диссипативных параметров, определяющих рабочие характеристики ЖК устройств. В связи с этим наибольшее применение для описания неравновесных процессов в потоках ЖК нашли континуальные теории, такие как теория Лесли-Эриксена, включающая набор макроскопических параметров (пять независимых коэффициентов Лесли). Экспериментально измеряемыми параметрами являются различные комбинации коэффициентов Лесли, определяющие диссипацию энергии в анизотропной жидкокристаллической среде и связь поля директора с

полем скоростей. В частности, в потоках нематических жидких кристаллов возможна реализация ориентационной структуры, близкой к пространственно однородному распределению директора. При этом жидкокристаллическую среду можно рассматривать как условно ньютоновскую жидкость с вязкостью, зависящей от ориентации директора относительно направления скорости и градиента скорости в потоке. Зависимость измеряемой вязкости от ориентации описываются тремя реологическими параметрами - вязкостями Месовича, соответствующими трем основным геометриям эксперимента и являющимися комбинациями коэффициентов Лесли. Экспериментальное определение коэффициентов вязкости Месовича является актуальной задачей физики жидких кристаллов, решение которой необходимо для проверки следствий теоретических моделей, рассматривающих поведение жидкокристаллической среды в условиях, далеких от равновесия. Одним из традиционных способов решения указанной выше задачи является проведение реологических исследований объемных образцов ЖК, в присутствии сильного магнитного поля, подавляющего ориентирующее действие поверхностей и потока. Однако, данный способ требует использования большого количества исследуемого вещества, что ограничивает область его применения. Альтернативный подход в реологических исследованиях связан с заменой стабилизирующего действия магнитного поля на ориентирующее воздействие со стороны ограничивающих ЖК поверхностей в ЖК ячейках микронной толщины [1]. Это позволяет использовать в измерениях малые объемы жидкого кристалла (менее 1 мл), что крайне актуально для исследования вязкостных свойств вновь синтезируемых ЖК. Данные свойства определяют быстродействие ЖК элементов, и их оптимизация открывает новые перспективы в совершенствовании существующих и разработке новых ЖК устройств, включая дисплеи, а также устройства оптоволоконной техники и сенсоры.

Одной из основных идей, реализованных в данной работе, является использование комбинированного воздействия поверхностей и электрического поля на ориентационную структуру жидкого кристалла, что обеспечивает определение двух вязкостей Месовича при проведении реологических

исследований затухающего потока Пуазейля в капилляре с заданными геометрическими размерами и направлением поверхностной ориентации. Данный подход повышает достоверность полученных данных и может являться основой создания эффективных микровискозиметров нового типа.

Указанный подход, показал свою эффективность также и при исследовании медленного изменения поверхностной ориентации ЖК, вызванного воздействием поляризованного светового излучения на фоточувствительный слой красителя, контактирующий с жидким кристаллом. Происходящие при этом физические процессы имеют коллективный характер и далеки от детального теоретического описания. В рамках феноменологической теории указанные явления могут быть описаны в терминах скольжения (глайдинга) легкой оси, задающей поверхностную ориентацию ЖК. Разработанные ранее теоретические модели [2, 3] такого процесса включают специфические реологические параметры, такие как сила сцепления и вязкость глайдинга, экспериментальное определение которых является актуальной задачей. Существующие микроскопические приближения, например, диффузионная модель, разработаны лишь для описания динамики переориентации, происходящей в слое азо-красителя в отсутствии контакта с ЖК. В связи с этим представляется актуальным экспериментальные исследования индуцированного светом глайдинга при наличии дополнительных ориентирующих факторов. Выполненные к настоящему времени эксперименты показывают на возможность управления азимутальным глайдингом с помощью электрического поля, ориентированного в плоскости ЖК слоя. В тоже время остаются неисследованными другие экспериментальные конфигурации, например, оптически-индуцированный глайдинг в присутствии электрического поля, направленного по нормали к границе раздела ЖК-слой азо-красителя. Именно такая конфигурация экспериментально исследуется в настоящей работе. Дополнительное использование электрического поля позволяет не только изменять заданную ориентацию в объеме ЖК слоя, но и обеспечивает синхронное изменение поверхностной ориентации ЖК при повторном облучении поляризованным

световым излучением фоточувствительных поверхностей, ограничивающих слой жидкого кристалла.

Наконец, использование, в качестве дополнительного фактора, сильного электрического поля при проведенных в данной работе реологических исследованиях полимерных пористых пленок, заполненных жидким кристаллом, обеспечило эффективное управление ориентационной структурой ЖК, сформированной внутри поры. При этом возможна проверка ряда следствий теоретического моделирования данной задачи, учитывающего эффекты слабого сцепления на границе раздела ЖК-полимерная матрица.

Объектами исследования диссертационной работы являются нематический жидкий кристалл 5ЦБ (4-пентил-4'-цианобифенил), поверхностные слои НЖК, контактирующего с нанометровыми фотоуправляемыми слоями азо-красителя ББ-1, а также дисперсная система - полимерная пористая пленка полиэтилентерефталата (ПЭТФ), заполненная нематическим жидким кристаллом.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Реологические свойства нематических жидких кристаллов при воздействии поверхностей, электрического поля и светового излучения»

Цель работы:

- получение новой практически значимой информации о динамических процессах и реологических свойствах жидких кристаллов при комбинированных воздействиях поверхностей, электрического поля и светового излучения.

Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач:

1. Разработка и экспериментальная апробация модифицированного метода измерения анизотропных коэффициентов сдвиговой вязкости НЖК в образцах малых объемов (менее 0,2 мл), ориентированных поверхностями и электрическим полем;

2. Изучение процессов поворота легких осей жидкого кристалла, ограниченного фотоуправляемыми поверхностями, при комбинированном воздействии электрического поля и светового излучения;

3. Изучение реологических свойств жидких кристаллов условиях сильных пространственных ограничений, реализуемых в композиционной среде НЖК-пористая полимерная пленка, при дополнительном воздействии электрического поля;

4. Экспериментальная проверка выводов существующих теорий, описывающих реологическое поведение ЖК при воздействии электрических полей и поверхностей, в том числе на границе раздела ЖК-фотоориентируемая поверхность.

Предметом исследования являются реологические свойства НЖК, ограниченных поверхностями различной топологии, при воздействии электрического поля и светового излучения.

Научная новизна работы:

1. Впервые выполнены исследования медленной поверхностной динамики НЖК, ограниченного фотоуправляемыми поверхностями, при воздействии светового излучения в присутствии электрического поля, ориентированного по нормали к поверхностям;

2. Выполнены первые эксперименты по воздействию электрического поля на затухающий поток Пуазейля в дисперсной среде - полимерная пористая пленка-ЖК, находящийся в условиях сильных пространственных ограничений. Получены и объяснены зависимости эффективной сдвиговой вязкости от управляющего напряжения.

3. Предложена и апробирована методика исследований затухающего потока Пуазейля в плоских капиллярах, основанная на одновременной регистрации движения менисков в цилиндрических трубках, соединенных с капилляром, и интенсивности поляризованного излучения, прошедшего через гомеотропную часть измерительной ячейки. Выполненный анализ полученных результатов позволяет сделать обоснованный выбор способа определения анизотропных коэффициентов сдвиговой вязкости НЖК.

Достоверность результатов исследования подтверждена соответствием экспериментальных данных по анизотропным сдвиговым вязкостям ЖК 5ЦБ, ограниченного поверхностями плоского капилляра, результатам независимых измерений, выполненных в объемных образцах жидких кристаллов. При исследованиях поверхностной динамики ЖК, контактирующего со слоем азо-красителя, установлено соответствие экспериментальной зависимости угла

поворота легкой оси с теоретической зависимостью, являющейся следствием разработанной ранее диффузионной модели [3]. Достоверность результатов исследования реологических свойств НЖК в полимерной пористой матрице подтверждается их соответствием следствиям общепринятых моделей ориентационной структуры, формируемой в условии сильных пространственных ограничений.

Практическая значимость результатов исследований определяется возможностью применения разработанных экспериментальных методик для исследований анизотропных сдвиговых вязкостей вновь синтезированных ЖК материалов с использованием малых объемов образцов, что подтверждается полученным патентом РФ на изобретение Яи №2510010 от 20.03.2014. Представленные в работе результаты по зависимости эффективной сдвиговой вязкости НЖК в порах от напряженности электрического поля могут найти применение при разработке оптофлюидных устройств на основе ЖК.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Результаты экспериментальных исследований методом затухающего потока Пуазейля эффективной сдвиговой вязкости как функции управляющего напряжения для НЖК, ограниченных поверхностями различной топологии и размеров (плоские капилляры микронных зазоров и цилиндрические поры субмикронных диаметров, сформированные в полимерной пористой пленке). Теоретический анализ данных результатов позволяет сформулировать положение о возможности корректного определения двух анизотропных сдвиговых вязкостей Месовича на основе измерений, выполненных в отсутствии и при наличии сильного электрического поля;

2. Результаты экспериментального исследования процесса глайдинга легких осей НЖК, ограниченного фотоуправляемыми поверхностями, вызванного воздействием поляризованного излучения в присутствии электрического поля, направленного по нормали к поверхностям ЖК ячейки. На основе выполненных исследований сделан вывод о возможности азимутального поворота пространственно однородной ориентационной структуры НЖК за счет подавления

электрическим полем разности фаз между необыкновенным и обыкновенным лучами;

3. Установленная на основе экспериментальных данных возможность исследования реологическими методами изменений ориентационной структуры НЖК, заключенного в пористую полимерную пленку с субмикронными диаметрами пор, под воздействием аксиального электрического поля. В частности, анализ зависимости эффективной сдвиговой вязкости от напряжения свидетельствует о существенном влиянии эффектов слабого поверхностного сцепления, приводящих к трансформации исходной конфигурации ЖК с выходом директора из плоскости пленки (ER) к пространственно однородной аксиальной конфигурации.

Апробация работы. Результаты проведенных исследований обсуждены и изложены на следующих конференциях:

1. Студенческой научно-технической конференции МГУПИ «Приборостроение и радиоэлектроника». Москва. 19 мая 2010 г.

2. Первой Всероссийской Конференции по Жидким Кристаллам (РКЖК-2012). Иваново. 17-21 сентября 2012 г.

3. 24th International Liquid Crystal Conference (ILCC-2012). Майнц, Германия. 19 - 24 августа 2012.

4. IV Международной конференции по коллоидной химии физико-химической механике. Москва. 30 июня — 5 июля 2013 г.

5. Научно-практической конференции МГУПИ «Актуальные проблемы приборостроения, информатики и социально-экономических наук». Москва. 23-24 апреля 2014 г.

6. 25th International Liquid Crystal Conference (ILCC-2014). Дублин, Ирландия. 29 июня - 4 июля 2014.

7. 1st International Conference on Photoalignment and Photopatterning in Soft Materials. Гонконг. 29 ноября - 2 декабря 2014.

8. Nanophotonics and Micro/Nano Optics International Conference 2016 (NANOP-2016). Париж, Франция. 7-9 декабря 2016.

9. X международная научная конференция «Кинетика и механизм кристаллизации. Кристаллизация и материалы нового поколения». Суздаль. 1-6 июля 2018 г.

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 11 научных работах. Из них 9 работ опубликовано в журналах, входящих в перечень Высшей аттестационной комиссии.

Личный вклад автора. Экспериментальные результаты, представленные в диссертации, получены лично автором. Соавторы опубликованных работ принимали участие в постановке задач исследования и теоретическом анализе полученных результатов. Цели и задачи, а также основные выводы сформулированы совместно с научным руководителем.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, 2 приложений. Объем диссертационной работы составляет 144 страницы машинописного текста и включает 50 иллюстраций, 13 таблиц, список литературы из 107 наименований.

Глава 1 Обзор результатов теоретических и экспериментальных исследований реологических свойств жидких кристаллов

1.1 Структура и классификация жидких кристаллов

Под термином «жидкие кристаллы» понимается широкий класс конденсированных сред, занимающих промежуточное положение между кристаллами и изотропными жидкостями, отличающихся химическим строением и молекулярной структурой образующих их элементов. По последнему признаку все жидкие кристаллы принято разделять на термотропные, образуемые из расплавов органических соединений (при этом элементами являются молекулы веществ), и лиотропные, формируемые в растворах органических соединений (при этом элементами являются вытянутые цилиндрические мицеллы). Общим свойством всех жидких кристаллов является частичное нарушение дальнего порядка, присущего кристаллическим телам. В зависимости от степени данного нарушения принято выделять отдельные жидкокристаллические фазы (нематическую фазу, холестерическую фазу и несколько типов смектических фаз). При этом в некоторых объектах возможно чередование фаз (полимезоморфизм) при изменении концентрации растворенного вещества (для лиотропных ЖК) или температуры (для термотропных ЖК) [4].

Простейшим примером жидких кристаллов являются нематические жидкие кристаллы (НЖК или нематики). В частности, термотропные НЖК отличаются от изотропных жидкостей наличием дальнего ориентационного порядка при характерной для жидкостей полной свободой перемещения центров тяжести отдельных молекул в пространстве, (Рисунок 1, а). Дальний ориентационный порядок НЖК характеризуется преимущественным направлением длинных молекулярных осей, описываемых единичным вектором п - директором, а также степенью ориентационного порядка:

5 = #<3^26-1>, (1.1)

определяющего среднее по ансамблю молекул угловое отклонение 0 направления молекулярных осей от директора. В идеальном кристалле Б=1 или Б=-1/2, тогда как в изотропной фазе Б=0. Для нематиков Б может принимать в принципе все возможные значения 1>Б>-1/2. Однако для всех известных нематических фаз, образованных стержнеобразными молекулами, параметр порядка положителен (отрицательный параметр порядка будет соответствовать почти перпендикулярному расположению осей молекул относительно директора). Именно существование ориентационного порядка обуславливает анизотропию всех физических свойств ЖК.

Смектические структуры (за исключением смектика Б) являются слоистыми средами, причем в слоях молекулы расположены так, что их длинные оси параллельны друг другу и приблизительно перпендикулярны плоскостям слоев (Рисунок 1, б) (для смектиков А) или наклонены относительно нормали на заданный угол (смектики С). Молекулы могут свободно двигаться в двух направлениях (в плоскости) и вращаться вокруг одной оси, т.е. помимо ориентационного, характерен еще и одномерный трансляционный порядок.

Молекулы холестериков образуют квазинематический локальный ориентационный порядок, при котором пространственное изменение направления директора можно представить в виде спиральной структуры с шагом спирали Р0 (Рисунок 1.1, в). Величина шага определяется молекулярным строением данного соединения и может зависеть от термодинамических параметров (температуры и давления).

Рисунок 1.1 - Симметрия ЖК фаз: а) нематическая, б) смектическая, в) холистерическая (Р0 - шаг спирали).

В данной работе для исследования были выбраны НЖК, которые позволяют при внешнем воздействии (например, при воздействии внешних электрических или магнитных полей или задании поверхностной ориентации) создать однородную ориентацию осей молекул по всему образцу в целом, получая таким образом жидкий монокристалл или образец монодомена. [5]. Ориентация молекул на поверхности характеризуется двумя параметрами: средними значениями полярного 0s и азимутального фs углов, задающих пространственное положение поверхностного директора п молекул. В общем случае, положение поверхностного директора отклоняется от положения «легкой оси» Пе, т.е. предпочтительного направления, заданного соответствующей обработкой поверхности и определяемого углами 00 и ф0, схематическое представление изображено на Рисунке 1.2. Величина полярных 0s-0o и азимутальных фs-фo отклонений поверхностного директора от направления легкой оси определяется толщиной ЖК слоя и соответствующими значениями W0, Wф полярной и азимутальной энергий сцепления (Рисунок 1.2). Различные типы ориентации характеризуются углом 00: гомеотропная (00=0), планарная (00=п/2) и твист (0 £00 £р/2) [6,7].

Рисунок 1.2 - Параметры ориентации ЖК: а) угол преднаклона - угол отклонения директора молекулы относительно поверхности подложки; б) энергия сцепления [5].

Энергия сцепления включает в себя две составляющие, соответствующие отклонению директора п от поляной и азимутальной плоскостей: - полярную энергию сцепления

Ж(б) = #ИЪ08т2(б-б0) (1.2)

- азимутальную энергию сцепления

= $Шфо зт2(ф — ф0)

(1.3)

1.2 Анизотропия физических свойств жидких кристаллов

Жидкие кристаллы представляют собой жидкости, в которых имеет место определенный порядок расположения молекул, как было сказано выше. В результате существует анизотропия механических, электрических, магнитных и оптических свойств. В основе большинства конкретных жидкокристаллических электрооптических эффектов лежит переориентация директора в макроскопическом объеме материала под воздействием внешнего приложенного поля. Анизотропия электрических свойств среды (диэлектрической восприимчивости и электропроводности) является причиной переориентации директора под действием электрического поля, тогда как динамика процесса также зависит от вязкоупругих свойств и начальной ориентации директора относительно поля. Во всех известных электрооптических эффектах оптические свойства среды, такие как ее частичная оптическая анизотропия, изменяются в результате переориентации директора (происходящей локально или по всему объему образца).

Анизотропная форма молекул и существование ориентационной упорядоченности определяют такие свойства, как двойное лучепреломление (Аи), диэлектрическую анизотропию (Ае) и анизотропию электропроводности (Ао), величины которых могут быть выражены следующим образом:

Лп = Пц — п9,Ле = £ц — £9,Ла = 0-ц — а±, (1.4)

где Пи, п9 - показатели преломления, £ц, £± - диэлектрические постоянные, о"ц, а9 -электропроводимости, соответственно, измеренные при параллельной и перпендикулярной ориентации длинных осей молекул относительно директора [8, 9]. Сдвиговой вязкости, исследованию которой посвящена данная диссертация, также присуща высокая степень анизотропии (вязкость может изменяться в несколько раз при переориентации образца).

Следует отметить, что Дп >0 во всех известных нематических жидких кристаллах в соответствии с анизотропией электрической поляризуемости молекул. В то же время, анизотропия электропроводности является положительной величиной (Дст > 0) в связи с положительным знаком анизотропии вязкости, определяющей анизотропию подвижности носителей заряда, т.е. для НЖК движение носителей заряда в направлении длинных осей молекул осуществляется легче. Диэлектрическая анизотропия ЖК может быть как положительна, так и отрицательна. Это зависит от соотношения между анизотропией поляризуемости молекулы и величиной постоянного дипольного момента, а также от угла у между дипольным моментом и длинной молекулярной осью. Положительная величина Де характерна для молекул с продольным дипольным моментом (у ® 0°); Де < 0 реализуется в тех случаях, когда угол у велик, например у® 90°. На Рисунке 1.3 представлена схема иллюстрирующая образование НЖК с положительной и отрицательной величинами Де.

Рисунок 1.3 - Схема образования положительной Де = £ц — > 0 (а) и отрицательной Де = £ц — < 0 (б) величины диэлектрической анизотропии [9].

1.3 Физические явления в потоках жидких кристаллов

Нематические жидкие кристаллы рассматривают как анизотропные жидкости с тем же механизмом поступательных молекулярных движений, что и в

изотропных жидкостях. В этом случае такое свойство, как высокая текучесть, которое соответствует нулевому значению статических сдвиговых модулей упругости, одинаково в обоих случаях. Однако, отмеченное выше наличие дальнего ориентационного порядка вносит существенные изменения в гидродинамическое описание НЖК. В частности, в гидродинамические уравнения необходимо включить дополнительный векторный параметр - директор [10]. Связь между поступательными и ориентационными движениями, описываемыми соответственно в терминах поля скорости у(гД) и поля директора п(гД) можно рассматривать как фундаментальное физическое свойство жидких кристаллов. Она отвечает за ряд специфических явлений, существующих в жидкокристаллических средах. Некоторые из них, такие как различные неустойчивости, индуцированные электрическими полями в тонких слоях нематических жидких кристаллов или эффектами обратного потока, возникающими при выключении электрических полей, имеют большое практическое значение [11, 12].

Связь между у(гД) и п(гД) также приводит к ряду линейных и нелинейных явлений в потоках жидких кристаллов. С точки зрения реологии [13, 14] жидкие кристаллы демонстрируют неньютоновское поведение. Это означает, например, что измеряемая сдвиговая вязкость зависит от скорости сдвига. В то же время сильные магнитные (электрические) поля позволяют стабилизировать ориентационную структуру. В тонких ЖК слоях правильная обработка поверхности также может обеспечить заданную ориентацию (например, планарную или гомеотропную (Глава 2)). Жидкий кристалл со стабилизированной ориентационной структурой можно рассматривать как обычную ньютоновскую жидкость со сдвиговой вязкостью, определяемой направлением поля [10] или поверхностной ориентацией. Такое реологическое поведение необходимо учитывать при вискозиметрических исследованиях жидких кристаллов.

В реологии жидких кристаллов обычно рассматриваются два основных типа сдвиговых течений - поток Куэтта и поток Пуазейля. Их двумерная геометрия представлена на Рисунке 1.4.

dv0x/dz = v/h = const dv0x/dz = -(G/J],)z * const

Рисунок 1.4 - Основные типы сдвиговых течений: а) поток Куэтта; б) поток Пуазейля.

С точки зрения общей реологии [15] эти потоки относятся к так называемым контролируемым (Куэтта) и частично контролируемым (Пуазейля) вискозиметрическим потокам. Их можно рассматривать как число подслоев, движущихся как твердые тела и каждый раз занимающих одинаковую позицию в пространстве (ламинарное движение). В простейших случаях плоских потоков, показанных на рисунке 1.4, эти подслои плоские, по крайней мере, при низких скоростях сдвига s=dvx/dz. Обычно для скорости движения жидкости на твердой поверхности применяется гипотеза о нескольжении (vx=0 при z=0 и h). Это приводит к профилям скорости, показанным на Рисунке 1.4. Относительное движение подслоев сопровождается диссипацией энергии, описываемой с точки зрения сил трения Fs, действующих между соседними слоями. В простейшем случае сила трения пропорциональна градиенту скорости и описывается законом Ньютона:

Fs=,S^, (О)

где S - площадь контактирующих поверхностей, п - коэффициент сдвиговой вязкости. Стоит отметить, что в микроскопическом масштабе силы трения в жидкостях возникают из-за переноса импульса путем диффузии молекул в направлении, перпендикулярном плоскостям скольжения. Это сильно отличается от молекулярных механизмов, ответственных за диссипацию энергии при относительном движении твердых тел.

Жидкости, которые следуют закону (1.5), называются ньютоновскими. Коэффициент сдвиговой вязкости таких объектов остается постоянным при изменении скорости сдвига, по крайней мере, для ламинарных течений разных

типов. Многие простые изотропные и однородные жидкости, такие как вода, спирт, глицерин и т.д., демонстрируют ньютоновское поведение. В то же время оно не описывает течение в сложных жидкостях - полимерных растворах, эмульсиях, суспензиях и т.д., где обнаружено, что измеренная вязкость зависит от скорости сдвига.

Жидкие кристаллы относятся к общему классу неньютоновских жидкостей. Для них были установлены некоторые общие реологические эффекты, например, отмеченное выше уменьшение эффективной вязкости с возрастанием скорости потока. В то же время большинство явлений, обнаруженных в линейных и нелинейных сдвиговых течениях жидких кристаллов, весьма специфичны. В частности, механизмы возникновения гидродинамических неустойчивостей совершенно различны для изотропных и анизотропных жидкостей, а критерии их реализации описываются в терминах двух различных безразмерных параметров: числа Рейнольдса Яе (изотропные ньютоновские жидкости) и числа Эриксена Бг (нематические жидкие кристаллы). Данные параметры определяются как [9]:

Re = рF, (1.6)

м

Ег = —, (1.7)

ро' 4 7

где р - плотность жидкости, I - характеристическая длина для данного потока, V -характеристическая скорость потока, Б - коэффициент вращательной диффузии

Д=7, (1.8)

71

где п и у1 - коэффициенты сдвиговой и вращательной вязкости, К - модуль ориентационной упругости Франка, соответствующий данному типу деформации ориентационной структуры.

Число Рейнольдса относится к известной гидродинамической неустойчивости, а именно к турбулентности, которая характеризуется рядом вихрей и дополнительной вязкостной диссипацией энергии.

Критическое значение числа Эриксона определяет пороговую скорость потока, необходимую для создания ориентационных искажений в слое жидких кристаллов. Оценки, выполненные при типичных значениях материальных

констант ЖК [16], показали, что данная скорость примерно на шесть порядков меньше пороговой скорости, при которой возникает турбулентность. Поэтому турбулентность не оказывает влияния на описанные ниже гидродинамические неустойчивости жидких кристаллов.

Можно найти множество оригинальных работ [5, 12, 16, 17], в которых рассматривается проблема развития гидродинамических неустойчивостей в жидких кристаллах.

Общая классификация неустойчивостей в соответствии с временными и пространственными характеристиками включает:

1. Однородные неустойчивости, возникающие как пространственно-однородные изменения ориентации всего слоя жидкого кристалла;

2. Пространственно-периодические неустойчивости с регулярной зависимостью ориентации от координат, которые визуализируются как доменная структура с одинаковым направлением доменов и с периодом, близким (или меньшим) толщины слоя;

3. Крупномасштабные неустойчивости с характерными размерами неоднородных областей, существенно превышающими толщину слоя;

4. Нестационарные неустойчивости, проявляющиеся в относительно медленных периодических изменениях неравновесной структуры;

5. Внешние магнитные (электрические) поля могут существенно влиять на пороговые значения градиента скорости (для Куэттовских течений) или градиента давления (для течений Пуазейля), соответствующих возникновению гидродинамических неустойчивостей.

В данной работе основное внимание уделено экспериментальному исследованию относительно слабых течений Пуазейля не приводящих к возникновению неустойчивостей ориентационной структуры.

1.4 Методы измерения анизотропных сдвиговых вязкостей нематических

жидких кристаллов

Впервые систематические измерения вязкости нематических жидких кристаллов были выполнены с помощью традиционных измерителей вязкости, используемых при изучении реологии изотропных жидкостей [18].

Как известно, жидкие кристаллы характеризуются неньютоновским поведением. На практике, кажущаяся сдвиговая вязкость зависит от набора факторов, таких как скорость сдвига, диаметр капилляра, начальная граничная ориентация. Описание данных результатов в рамках современной нематодинамики представлены еще в [19]. Как показано в [там же], при достаточно высоких скоростях сдвига, кажущаяся вязкость становится независимой от сдвига для различных типов потоков и равной значению п0, соответствуя вызванной потоком ориентации ЖК в одном предпочтительном направлении, близком к направлению потока. Такие исследования позволили получить некоторую информацию об анизотропной сдвиговой вязкости, а традиционные вискозиметры используются в настоящее время [20].

Тем не менее, наиболее существенные результаты были получены после модификации традиционных методик и разработки новых экспериментальных установок, позволяющих исследовать вязкость при различных ориентациях жидких кристаллов, стабилизированных сильными магнитными полями. Пионерские работы в данном направлении были выполнены Месовичем [21, 22], определившим три базовые геометрии при вискозиметрических исследованиях, которые используются и по сей день (Рисунок 1.5):

а) директор параллелен градиенту скорости потока, п11 Уу (максимальное значение коэффициента сдвиговой вязкости п1);

б) директор параллелен скорости потока, п11у (минимальное значение коэффициента сдвиговой вязкости п2);

в) директор ортогонален потоку и градиенту скорости, п11 (ух Уу) (среднее значение коэффициента сдвиговой вязкости пз);

а)

б)

в)

Z ▲

Z Z Z

У

Рисунок 1.5- Три главных геометрии для измерения сдвиговой вязкости.

Стоит заметить, что существуют альтернативные обозначения основных коэффициентов вязкости n¡, которые встречаются в литературе. В частности, определения ni и n2 часто меняются местами и совпадают с определениями, предложенными Месовичем [22]. В случае произвольной однородной ориентации директора относительно скорости и градиента скорости v и Vv, определяемой соответственно углами 0 и ф, выражение для коэффициента сдвиговой вязкости можно записать в виде:

1j(6, фф = cos2 в + cos2 0) sin2 в cos2 ф + tj3 sin2 в sin2 ф. (1.9)

Дополнительный параметр п12, входящий в (1.9), не может рассматриваться как независимый коэффициент вязкости, так как он может принимать как положительные, так и отрицательные значения, в отличие от коэффициентов вязкости n¡, положительные значения которых вытекают из условия положительности производства энтропии. Максимальное влияние этого параметра на вязкие потери имеет место при 0=п/4, ф=0, что соответствует промежуточной ориентации ЖК в плоскости сдвига. При этом величина коэффициента сдвиговой вязкости выражается как:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Семина, Ольга Александровна, 2018 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Pasechnik, S.V. Anisotropic shear viscosity in nematic liquid crystals: new optical measurement method / S.V. Pasechnik, V.G. Chigrinov, D.V. Shmeliova, V.A. Tsvetkov, and A.N. Voronov // Liquid Crystals. - 2004. - Vol. 4 (31). - pp. 585-592.

2. Pasechnik S.V. Effect of combined action of electric field and light on gliding of the easy axis in nematic liquid crystals / S. V. Pasechnik, A. V. Dubtsov, D. V. Shmeliova, V. A. Tsvetkov and V. G. Chigrinov // Liquid Crystals. - 2008. - Vol. 35. - pp. 569-579.

3. Kiselev A.D. Photoinduced reordering in thin azo-dye films and lightinduced reorientation dynamics of the nematic liquid-crystal easy axis / Alexei D Kiselev; V.G. Chigrinov; S.V. Pasechnik; A.V. Dubtsov // Phys Rev. E. - 2012. - Volume: 86. - art. 011706.

4. Браун Г. Жидкие кристаллы и биологические структуры / Браун Г., Уолкен Дж. // Перевод с англ. М.: Мир. - 1982. - 198 с.

5. Pasechnik S.V. Liquid Crystals: Viscous and Elastic Properties / S.V. Pasechnik, V.G. Chigrinov, and D.V. Shmeliova // WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim. - 2009. - 424 p.

6. Chigrinov V.G. Liquid Crystal Devices: Physics and Applications / V.G. Chigrinov // Artech House, Boston. - 1999.

7. Blinov L.M. Electrooptical effects in liquid crystalline materials / L.M. Blinov and V.G. Chigrinov // Springer, New York. - 1994.

8. Блинов Л.М. Электрооптические эффекты в жидких кристаллах / Л.М. Блинов // УФН. - 1974. - 114 т. - с. 67-96.

9. Woltman S.J. Liquid Crystals: frontiers in Biomedical Applications / Woltman S.J., Crawford G.P., Jay G.P. // - USA.: World Scientific. - 2007. - 489 p.

10. Stewart I.W. The Static and Dynamic Continuum Theory of Liquid Crystals: A Mathematical Introduction / I.W. Stewart // Tailor and Francis. - 2004. - 351 p.

11. Chigrinov V.G. Temporal characteristics of oriented electrooptic effects in nematic liquid crystals / Chigrinov V.G. Belyaev V.V. // Кристаллография. - 1977. - Т. 22. - С. 603.

12. Шмелева Д.В. ИССЛЕДОВАНИЕ ИНДУЦИРОВАННЫХ СДВИГОВЫМ ТЕЧЕНИЕМ СТРУКТУР ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ, ОРИЕНТИРОВАННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ: Дис. ... канд. физ.-мат. наук: 01.04.07. - Москва, 2005. - 98 с.

13. Малкин А.Я. Реология: концепции, методы, приложения / Малкин А.Я., Исаев А.И. // пер. с англ. СПб. : Профессия. - 2007. - 560 с.

14. Шрамм Г. Основы практической реологии и реометрии / Шрамм Г. // пер. с англ. / под ред. В.Г. Куличихина. М. : КолосС. - 2003. - 312 с.

15. Tanner R.I. Engineering Rheology / R.I. Tanner // Oxford University Press. - 2000.

- 592 p.

16. Dubois-Violette E. Flow instabilities in nematics, in Pattern Formation in Liquid Crystals / E. Dubois-Violette, and P. Manneville (eds A. Buka and L. Kramer) // Springer, Berlin. - 1996. - 331 p.

17. Oswald P. Nematic and Cholesteric Liquid Crystals / P. Oswald and P. Pieranski // Taylor and Francis, London. - 2005. - 648 p.

18. Porter R.S. Some flow characteristics of mesophase types / R.S. Porter, E.M. II Barrall, and J.F. Johnson // J. Chem. Phys. - 1966. - Vol. 45. - pp. 1452.

19. Currie P.K. Apparent viscosity during viscometric flow of nematic liquid crystals / P.K. Currie // J. Phys. (France). - 1979. - 40. - pp. 501-505.

20. Belyaev V.V. Physical methods for measuring the viscosity coefficients of nematic liquid crystals / V.V. Belyaev // Physics-Uspekhi. - 2001. - 44 (3). - pp. 255-284.

21. Miesowicz M. The three coefficients of viscosity of anisotropic liquids/ M. Miesowicz // Nature. - 1946. - 158. - 27.

22. Miesowicz M. Liquid crystals in my memories and now - the role of anisotropic viscosity in liquid crystal research / M. Miesowicz // Mol. Cryst. Liq. Cryst. - 1983. - 97.

- pp. 1-11.

23. Kneppe H. Determination of the viscosity coefficients of the liquid crystal MBBA / H. Kneppe & F. Shneider // Mol. Cryst. Liq. Cryst. - 1981. - Vol. 65, Issue - 1-2. - pp. 23-37.

24. de Gennes P.-G. The Physics of Liquid Crystals / P.-G. de Gennes // Oxford University Press, London. - 1974. - 333 p.

25. de Jeu W.H. Physical Properties of Liquid Crystalline Materials / W.H. de Jeu // Gordon and Breach, New York. - 1980. - 134 p.

26. Gâhwiller H. Direct determination of the five independent viscosity coefficients of nematic liquid crystals / H. Gâhwiller // Mol. Cryst. Liq. Cryst. - 1973. - Vol. 20. - pp. 301-318.

27. Баландин В.А. Акустическая вискозиметрия жидких кристаллов при изменяющихся давлении и температуре / Баландин В. А., Ларионов А.Н., Пасечник С.В. // ЖЭТФ. - 1982. - т.83, №6(12). - с. 2121-2127.

28. Пасечник С.В. О связи диссипативных коэффициентов с анизотропными акустическими параметрами нематического жидкого кристалла // Пасечник С.В., Прокопьев В.И., Шмелев О.Я., Баландин В. А. // Журнал физ. химии. - 1987. - тЪХ1, №1. - с. 1675-1677.

29. Ziwicinski A. High-resolution volumetric study of smectic-A - to - nematic transition in 4-(n-pentyl) phenylthiol - 4'-(n-octyloxy) benzoate (8 S5) and octyloxycyanobiphenyl (80 CB) // Ziwicinski A., Wieczorek S.A., Stecki Y. // Phys. Ref. - 1987. - V. 36A, N. 4. - pp. 1901-1907.

30. Хабибуллаев П.К. Реология жидких кристаллов. / П. К. Хабибуллаев, Э. В. Геворкян, А. С. Лагунов. — Ташкент: ФАН. - 1992. — 298 c.

31. Belyaev V.V. Physical methods for measuring the viscosity coefficients of nematic liquid crystals / Belyaev V.V. // PHYS-USP - 2001. - 44 (3). - pp. 255-284.

32. Larionov A.N. Viscous properties of nematic mixture at variation of PVT-state parameters / Larionov A.N., Larionova N.N., Pasechnik S.V. // Molecular Crystals and Liquid Crystals. - 2004. - Vol. 409. - pp. 459-466.

33. Wang H. A method to estimate the Leslie coefficients of liquid crystals based on MBBA data / Wang, H., Wu, T. X., Gauza, S., Wu, J. R. & Wu, S. T. // Liq. Cryst. -2006. - 33. - pp. 91-98.

34. Hiltrop K. Radial Poiseuille flow of a homeotropic nematic LC layer / Hiltrop, K. & Fischer, F. // Z. Naturforsch. - 1976. - A 31. - pp. 800-807.

35. Kneppe H. Viscosity, in Handbook of Liquid Crystals / (eds D. Demus, J. Goodby, G.W. Gray, H.-W. Spiess, and V. Vill) / H. Kneppe and F. Schneider // Wiley-VCH Verlag, Weinheim. - 1998. - pp. 142-169.

36. Summerford J.W. Angular and temperature dependence of viscosity coefficients in a plane normal to the direction of flow in MBBA / J.W. Summerford, J.R. Boyd, and B.A. Lowry // J. Appl. Phys. - 1975. - Vol. 46. - pp. 970-974.

37. Beens W.W. Flow measurements of the viscosity coefficients of two nematic liquidcrystalline azoxybenzenes. / W.W. Beens and W.H. de Jeu // J. Phys. (France). -1983. - Vol. 44(2). - pp. 129-136.

38. Helfrich W. Molecular theory of flow alignment of nematic liquid crystals / W. Helfrich // J. Chem. Phys. - 1969. - Vol. 50 (1). - pp. 100.

39. Tsvetkov V.A. Advances in Liquid Crystal Research and Applications / (ed. L. Bata) V.A. Tsvetkov // Pergamon Press, Oxford. - 1980. - pp. 567-572.

40. Pasechnik S.V. Nematic Liquid Crystals under Decay Pouseuille Flow: new Possibilities for Measurement of Shear Viscosity / S.V. Pasechnik, A.V. Torchinskaya, V.A. Tsvetkov, D.O. Karandashov // Mol. Cryst. Liq. Cryst. - 2001. - Vol. 366. - pp. 165-171.

41. Narasimhan M.N.L. Orientational effects in heatconducting nematic liquid crystals / M.N.L. Narasimhan and A.C. Eringen // Mol. Cryst. Liq. Cryst. - 1974. - Vol. 29. - pp.

57.

42. Hennel F. Improved Miesowicz viscometer / Franciszek Hennel, Joanna Janik, Jozef K. Moscicki & Roman Däbrowski // Mol. Cryst. Liq. Cryst. - 1990. - 191:1. - pp. 401-405.

43. Janik J., Miesowicz viscosities study of a two-component thermotropic mixture / J. Janik, J.K. Moscicki, K. Czuprynski, and R. Dabrowski // Phys. Rev. E. - 1998. - Vol.

58, N. 3. - pp. 3251-3258.

44. Fisher J. Interfacial Effects on the Viscosity of a Nematic Mesophase / J. Fisher, A.G. Frederickson // Mol. Cryst. Liq. Cryst. - 1969. - Vol. 8. - pp. 267-284.

45. Pasechnik S.V. Behaviour of nematic layer oriented by electric field and pressure gradient in the striped liquid crystal cell / S.V. Pasechnik, A.V. Torchinskaya // Mol. Cryst. Liq. Cryst. - 1999. - vol. 331. - pp. 341-347.

46. Takatsu H. Advanced liquid crystal materials for active matrix displays / Takatsu H. // Conf. Proc. Advanced Display Materials and Devices, Sendai, Japan. - 2014. - p. 43.

47. Беляев В.В. Вязкость нематических кристаллов / В.В. Беляев // М.:ФИЗМАТЛИТ. - 2002. - 224 с.

48. Беляев Б.А. Диэлектрическая анизотропия жидкого кристалла 5ЦБ в дециметровом диапазоне длин волн / Б.А. Беляев, Н.А. Дрокин, В.Ф. Шабанов, В.Н. Шепов //Физика твердого тела. - 2000. - том 42, вып. 3. - c. 564-566.

49. Chigrinov V.G. Photoalignment of Liquid Crystalline Materials: Physics and Applications / V.G. Chigrinov, V. M. Kozenkov, & H.-S. Kwok // Wiley: New York. -2008. - 248 p.

50. Барабанова Н.Н. Влияние димеризации молекул азокрасителей на свойства систем ЖК-краситель при владимодействии с лазерным излучением / Н.Н. Барабанова, В.В. Беляев, Д. Л. Богданов, А. Л. Бугримов, А.К. Дадиванян, А.П. Назаров, В.Г. Чигринов // Жидк. крист. и их практич. использ. - 2015. - Т. 15, No 3. - С. 103-108.

51. Apel P. Track etching technique in membrane technology / P. Apel // Article in Radiation Measurements. - 2001. - Vol. 34(1). - pp. 559-566.

52. Bryk М.Т. Investigation of porous structure in the PET films irradiated with Ar ions / М. Т. Bryk, A. F. Kobets, A. Kryshtal, et al // Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. В. - 2009. - Vol. 251. - pp. 419-424.

53. Семеренко Д. А. СТРУКТУРА И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОРИСТЫХ ПЛЁНОК, ЗАПОЛНЕННЫХ НЕМАТИЧЕСКИМ ЖИДКИМ КРИСТАЛЛОМ: Дис. ... канд. физ.-мат. наук: 01.04.07. - Москва, 2011. - 128 с.

54. Senyuk B. Surface alignment, anchoring transitions, optical properties and topological defects in nematic bent-core materials C7 and C12 / Senyuk, B., Kim, Y. -K.,

Tortora, L. Q., Shin, S. -T., Shiyanovskii, S. V. & Lavrentovich, O. D. // Mol. Cryst. Liq. Cryst. - 2011. - V. 540. - pp. 20-41.

55. Rasing T. Surfaces and Interfaces of Liquid Crystals / Theo Rasing, Igor Musevic // Springer-Verlag Berlin Heidelberg. - 2004. - 298 p.

56. Fedorenko D. Light-induced gliding of the easy orientation axis of a dye-doped nematic liquid crystal / Denis Fedorenko, Kostyantyn Slyusarenko, Elena Ouskova, Victor Reshetnyak, KiRyong Ha, Ridvan Karapinar, and Yuriy Reznikov // Phys. Rev. E. - 2008. - 77, 061705. - 9 p.

57. Statman D. Photoinduced gliding of the surface director in azo-dye doped nematic liquid crystals / David Statman; Valerie Basore; Yusufu Sulai; Barbara Dunlap; Istvan Janossy // Liquid Crystals. - 2008. - Volume 35 (1). - pp. 33-38.

58. Oliveira E.A. Gliding anchoring of lyotropic nematic liquid crystals on amorphous glass surfaces / E.A. Oliveira, A.M. Figueiredo, G. Durand // Phys. Rev. A. - 1991. - V. 44. - R825.

59. Faetti S. Surface reorientation dynamics of nematic liquid crystals / S. Faetti, M. Nobili, I. Raggi // Eur. Phys. J. - 1999. - B 11. - p. 445.

60. Janossy I. Gliding of liquid crystals on soft polymer surfaces / I. Janossy, T.I. Kosa // Phys. Rev. E. - 2004. - V. 70. - 052701.

61. Joly S. Zenithal gliding of the easy axis of a nematic liquid crystal / S. Joly, K. Antonova, P. Martinot-Lagarde, and I. Dozov // Phys. Rev. E. - 2004. - V. 70. - 050701.

62. Pasechnik S.V. Slow Relaxation Processes in Nematic Liquid Crystals at a Weak Surface Anchoring / S.V. Pasechnik, V.G. Chigrinov, D.V. Shmeliova, V.A. Tsvetkov, V.N. Kremenetsky, Liu Zhijian, A.V. Dubtsov // Liquid Cryst. - 2006. - V. 33. - 175.

63. Alexe-Ionescu A.L. Phenomenological model for the optically induced easy direction / A.L. Alexe-Ionescu, C. Uncheselu, L. Lucchetti, G. Barbero // Phys. Rev. E. -2007. - V. 75. - 021701.

64. Janossy I. Kinetics of director gliding on a polymer-liquid-crystal interface / I. Janossy // Phys. Rev. E. - 2010. - V. 81. - 031714. - 6 p.

65. Ji-Hoon Lee Surface gliding of the easy axis of a polymer-stabilized nematic liquid crystal and its dependence on the constituent monomers / Ji-Hoon Lee and Tae-Hoon Yoon // Phys. Rev. E. - 2011. - 84, 051701. - 6 p.

66. Mema E. Substrate-induced gliding in a nematic liquid crystal layer / E. Mema, L. Kondic, and L. J. Cummings // Phys. Rev. E. - 2015. - 92, 062513. - 13 p.

67. Muravsky A. Optical rewritable liquid-crystal-alignment technology / A. Muravsky, A. Murauski, X. Li, V. Chigrinov, H.S. Kwok. // J. SID. - 2007. - 15/4. - pp. 267-273.

68. Дубцов А.В. Изменение поверхностной ориентации нематических жидких кристаллов под воздействием электрического поля и линейно-поляризованного света / А.В. Дубцов, С.В. Пасечник, О.А. Харламова (Семина), И.Д. Антипов // Жидк. крист. и их практич. использ. - 2010. - 4 (34). - c. 83 - 89.

69. Dubtsov A.V. Electrically assisted light-induced azimuthal gliding of the nematic liquid-crystal easy axis on photoaligned substrates/ A.V. Dubtsov, S.V. Pasechnik, Alexei D. Kiselev, D.V. Shmeliova, and V.G. Chigrinov // Phys. Rev. E. - 2010. - 82. - art. 011702.

70. Pasechnik S.V. Effect of combined action of electric field and light on gliding of the easy axis in nematic liquid crystals / S.V. Pasechnik, A.V. Dubtsov, D.V. Shmeliova, V.A. Tsvetkov, V.G. Chigrinov // Liq. Cyst. - 2008. - 5(35). - pp. 569-579.

71. Дубцов А.В. ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ВЯЗКОУПРУГИЕ СВОЙСТВА НЕМАТИЧЕСКИХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ, ОГРАНИЧЕННЫХ ФОТООРИЕНТИРУЕМОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ: Дис. ... канд. физ.-мат. наук: 01.04.07. - Москва, 2008. - 125 с.

72. Chigrinov V. G. Liquid crystal photonics / V. G. Chigrinov // New York, Nova Science Pub. Inc. - 2014. - 165 p.

73. Cuennet J.G. Optofluidic modulator based on peristaltic nematogen microflows / J. G. Cuennet, A. E. Vasdekis, L. De Sio, and D. Psaltis // Nat. Photonics. - 2011. - V. 5(4). - pp. 234-238.

74. Uchida T. Optically Compensated Bend Mode with Wide Viewing Angle and Fast Response for AM-LCD / T. Uchida, T. Miyashita // IDW'95 Digest. - 1995. - pp. 39 -

42.

75. Pasechnik S.V., Shmeliova D.V, Semerenko D.A., & Voronov V.N. Proceedings of the 29th International Display Research Conference: Eurodisplay 2009, Rome. - P40. - pp. 395-397.

76. Пасечник C. B. Модифицированный оптический метод для измерения анизотропных сдвиговых вязкостей нематических жидких кристаллов / С.В. Пасечник, Д.В. Шмелева, Д. А. Семеренко, А Н. Воронов, О. А. Семина // Жидкие кристаллы и их практическое использование. - 2011. - Вып. 3 (37). - С. 41 - 46.

77. Pasechnik S.V. Photo Controlled Surfaces in Rheology of Liquid Crystals / S.V. Pasechnik, O.A. Semina, D.V. Shmeliova, A.V. Dubtsov, V.G. Chigrinov, J. Sun // Molecular Crystals and Liquid Crystals. - 2015. - Vol. 611. - pp. 81-93.

78. Pasechnik S.V. Orientational Instability in a Nematic Liquid Crystal in a Decaying Poiseuille Flow / S.V. Pasechnik, A.P. Krekhov, D.V. Shmeleva, I.Sh. Nasibullaev, V.A. Tsvetkov // Sov. Phys. JETP. - 2005. - Vol. 100(4). - pp. 804-810.

79. Пасечник С.В. Модифицированный метод определения анизотропных сдвиговых вязкостей жидких кристаллов в измерительной ячейке с фотоориентируемыми поверхностями / С.В. Пасечник, О.А. Семина, Д.В. Шмелева, А.В. Дубцов, Д.В. Кандауров, В.Г. Чигринов // Приборы. - 2012. - № 12 (150). - c. 31-36.

80. Pasechnik S.V. Photoalignment in rheology of liquid crystals / S.V. Pasechnik, D.V. Shmeliova, O.A. Kharlamova (Semina), V.G. Chigrinov, Jiatong Sun and A.V. Dubtsov // Molecular Crystals and Liquid Crystals. - 2012. - Vol. 560. - pp. 131-142.

81. Dubtsov A.V. Effects of polarization azimuth in dynamics of electrically assisted light-induced gliding of nematic liquid-crystal easy axis / A.V. Dubtsov, S.V. Pasechnik, Alexei D. Kiselev, D.V. Shmeliova, V.G. Chigrinov // Appl. Phys. Lett. - 2012. - 100. -art. 141608.

82. Pasechnik S. V. Modeling reorientation dynamics of electrically assisted light-induced gliding of nematic liquid-crystal easy axis / S.V. Pasechnik, A.V. Dubtsov, D.V.

Shmeliova, D.A. Semerenko, V.G. Chigrinov, M.A. Sinenko, and Alexei D. Kiselev // Adv. Cond. Matter Phys. - 2013. - Volume 2013. - art. 363157.

83. Kiselev A.D. Photoinduced ordering and anchoring properties of azo-dye films // Kiselev A.D., Chigrinov V.G., Dan Ding Huang // Phys. Rev. E. - 2005. - Vol. 72. - P. 061703.

84. Scharf T. Polarized Light in Liquid Crystals and Polymers / Scharf T. // John Wiley & Sons, New York. - 2007. - 400 p.

85. Semina O. Electric and magnetic fields in photoalignment of liquid crystals / O. Semina, A. Dubtsov, D. Shmeliova, S. Pasechnik, V. Chigrinov // Journal of the Society for Information Display. - 2015. - 23/5. - pp. 223-231.

86. Pasechnik S. V. Slow Relaxation Processes in Nematic Liquid Crystals at a Weak Surface Anchoring / S.V. Pasechnik, V.G. Chigrinov, D.V. Shmeliova, V.A. Tsvetkov, V.N. Kremenetsky, Liu Zhijian, A.V. Dubtsov // Liq. Cryst. - 2006. - Vol. 33. - pp.175185.

87. Pozhidaev E. Ferroelectric liquid crystal composites based on the porous stretched polyethylene films / E. Pozhidaev, A. Bobrovsky, V. Shibaev, G. Elyashevich, M. Minchenk // Liquid Crystals. - 2010. - 37(5). - pp. 517-525.

88. Caputo R. POLICRYPS: a liquid crystal composed nano/microstructure with a, wide range of optical and electro-optical applications / R. Caputo, A. de Luca, L. de Sio et al. // - Opt. A: Pure Appl. Opt. - 2009. - Vol. 11, № 2. - pp. 024017-024030.

89. Chopik A.P. Electro-optical effects in porous PET films filled with liquid crystal: new possibilities for fiber optics and THZ applications / A.P. Chopik, S.V. Pasechnik, D.A. Semerenko, D.V. Shmeliova, A.V. Dubtsov, A.K. Srivastava, V.G. Chigrinov // Optics Lett. - 2014. - V. 39, № 6. - pp. 1453-1456.

90. Pasechnik S.V. Electro-kinetic phenomena in porous PET films filled with liquid crystals / S.V. Pasechnik, A.P. Chopik, D.V. Shmeliova, E.M. Drovnikov, D.A. Semerenko, A.V. Dubtsov, W. Zhang & V.G. Chigrinov // Liquid Crystals. - 2015. - pp. 1537-1542.

91. Semerenko D.A. Optically controlled transmission of porous polyethylene terephthalate films filled with nematic liquid crystal / D.A. Semerenko, D.V. Shmeliova,

S.V. Pasechnik, A.V. Murauskii, V.A. Tsvetkov, V.G. Chigrinov // Optics Lett. - 2010. - V. 35, № 13. - pp. 2155-2157.

92. Ericksen J.L. Continuum theory of liquid crystals of nematic type. / J. L. Ericksen. // Molecular Crystals and Liquid Crystals. — 1969. — Vol. 7, No 1—4. — P. 153—164.

93. Clark M.G. А сalculation of orientational relaxation in nematic liquid crystals. / M.

G. Clark, F. M. Leslie. // Proc. Royal Society of London. — 1987. — V.A.361. — P. 463—485.

94. Atkin R. J. Poiseuille Flow of Liquid Crystals of the Nematic Type / R. J. Atkin // Arch. Rat. Mech. Anal. - 1970. - 38. - pp. 224-240.

95. Tseng H.C. Application of the Continuum Theory to Nematic Liquid Crystals /

H.C. Tseng, D.L. Silver and B.A. Finlayson // Phys. Fluids. - 1972. - 15. - pp. 12121222.

96. Pasechnik S.V. Rheological Properties of Liquid Crystals in Porous Polymer Films with Submicron Sizes of Pores / S.V. Pasechnik, D.V. Shmeliova, A.V. Torchinskaya, O.A. Semina, A.A. Dyukin, V.G. Chigrinov // Liq. Cryst. and their Appl. - 2016. - 16 (4). - P. 52-58.

97. Bradac Z. Molecular dynamics study of nematic structures confined to a cylindrical cavity / Z. Bradac, S. Kralj, S. Zumer // Phys Rev. E. - 1998. - 58 (6). - pp. 7447-7454.

98. Crawford G.P. Surface elastic and molecular-anchoring properties of nematic liquid crystals confined to cylindrical cavities / G.P. Crawford, D.W. Allender, J.W. Doane // Phys. Rev. A. - 1992. - Vol. 45, Iss. 12. - pp. 8693 - 8708.

99. Allender D.W. Determination of the liquid-crystal surface elastic constant K24 / D.W. Allender, G.P. Crawford, J.W. Doane // Phys. Rev. Lett. - 1991. - 67 (11). - pp. 1442-1445.

100. Crawford G.P. Finite Molecular Anchoring in the Escaped-Radial Nematic Configuration: A 2-H-NMR Study / G.P. Crawford, D.W. Allender, J.W. Doane, M. Vilfan, and I. Vilfan // Phys Rev. A. - 1991 - 44(4). - pp. 2570-2578.

101. Пасечник С.В. Метод затухающего потока в реологии полимерных пористых пленок, заполненных жидкими кристаллами / С.В. Пасечник, Д.В. Шмелева, А.В.

Торчинская, О.А. Семина, А.А. Дюкин // Российский технологический журнал. -2017. - Том 5 № 5. - с. 25-39.

102. Pasechnik S.V. Dynamic and static light scattering at phase transitions in liquid crystal confined into porous polymer film / S.V. Pasechnik, G.I. Maksimochkin, D.V. Shmeliova, A.O. Zhirkov, S. Kralj, O.A. Semina // Liq. Cryst. and their Appl. - 2017.17 (4). - pp. 67-72.

103. Maksimochkin G.I. Orientational fluctuations and phase transitions in 8CB confined by cylindrical pores of the PET film / G.I. Maksimochkin, D.V. Shmeliova, S.V. Pasechnik, A.V. Dubtsov, O.A. Semina and S. Kralj // Phase transitions. - 2016. - V. 89. - pp. 846-855.

104. Tkachenko V. Electrical reorientation of liquid crystal molecules inside cylindrical pores for photonic device applications / V. Tkachenko, A.A. Dyomin, G.V. Tkachenko, G. Abbate, I. A. Sukhoivanov // Opt. A: Pure Appl. Opt. - 2008. - Vol. 10, No 5. - pp. 055301-6.

105. Tsvetkov V.A. Attempt of direct measuring of near surface shear viscosity / V.A. Tsvetkov // Mol. Cryst. Liq. Cryst. - 2005. - V. 436. - pp. 1157-1170.

106. Mendoza Carlos I. Electroreological effect and directional non-Newtonian behavior in a nematic capillary subjected to a pressure gradient / Carlos I. Mendoza, A. Coerlla-Madueño, J. Adrián Reyes // Phis. Rev. E. - 2008 - 77. - p. 011706.

107. Pasechnik S.V. Electrically controlled porous polymer films filled with liquid crystals: new possibilities for photonics and THz applications / S.V. Pasechnik, D.V. Shmeliova, A.P. Chopik, D.A. Semerenko, S.S. Kharlamov, A.V. Dubtsov // Days on Diffraction (DD). - 2016. - pp. 314-318.

ПРИЛОЖЕНИЕ А (рекомендуемое)

Патент РФ на изобретение БШ №2510010 от 20.03.2014.

воетиийШАм ФВДИРАЩ

ж

Л ж

жжжжж

я

НА ИЗОБРЕТЕНИЕ

№2510010

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ АНИЗОТРОПНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ ВЯЗКОСТИ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Патёитообладатель(ли): Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет приборостроения и информатики " (Ш1)

Автор(ы): см. на обороте

Заявка № 2012148091

Приоритет изобретения 13 ноября 2012 Г.

Зарегистрировано в Государственной реестре изобретений Российской Федерации 20 марта 2014 г. Срок действия патента истекает 13 ноября 2032 г.

Руководитель Федеральной службы по интеллектуальной собственности

Б.П. Симонов

® ж ж ж ж ж ж ж ® ® ® ж ш ж ж @ ж ж ж ж И^ЖЖЖжЖЖЖЖЖЩ?

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

О

о о

ю а:

(19) ^(11)

2 510 010°3) С1

(51) МПК

СЮМ 11/04 (2006.01)

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

(21X22) Заявка: 2012148091/28, 13.11.2012

(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 13.11.2012

11риоритет(ы):

(22) Дата подачи заявки: 13.11.2012

(45) Опубликовано: 20.03.2014 Бюл. № 8

(56) Список документов, цитированных в отчете о

поиске: Яи 2279662 С2,10.07.2006. Белов В.В. Физические методы измерения коэффициентов вязкости нематических жидких кристаллов, Успехи физических наук, том 171, №3, с.268-297,2001. Ларионов А.Н. и др. АНИЗОТРОПНОЕ РАСПРОСТРАНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА И ВЯЗКОСТЬ НЕМАТИЧЕСКИХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ ПРИ ВАРИАЦИИ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СОСТОЯНИЯ, ВЕСТНИК ВГУ, (см. прод.)

Адрес для переписки:

107996, Москва, ул. Стромынка, 20, МГУПИ

(72) Автор(ы):

Пасечник Сергей Вениаминович (ЬШ), Сёмина Ольга Александровна (ЬШ), Дубцов Александр Владимирович (1Ш), Шмёлева Дина Владимировна (ГШ), Цветков Валентин Алексеевич (1Ш), Чигринов Владимир Григорьевич (1Ш)

(73) Патентообладатель(и):

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет приборостроения и информатики" (1Ш)

(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ АНИЗОТРОПНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ ВЯЗКОСТИ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ И УСТРОЙСТВО для ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерениям вязкости анизотропных жидкостей, т.е. жидкостей, которые имеют разные величины вязкости в зависимости от геометрии измерений и скорости сдвигового потока. К таким жидкостям относятся, например, жидкие кристаллы (ЖК). Способ измерения анизотропных коэффициентов вязкости жидких кристаллов, включает процедуру перекачки измеряемого вещества из одной емкости в другую под действием избыточного давления через плоский капилляр, на стенки которого нанесены прозрачные электроды и ориентирующие слои из светочувствительного материала, способного задать молекулам ЖК

последовательно 3 различные ориентации относительно направления потока при экспозиции светочувствительного материала актиничным линейно поляризованным светом с тремя направлениями плоскости поляризации (ПП). Четвертая ориентация ЖК, необходимая для измерения четвертого коэффициента вязкости, создается

приложением электрического напряжения. При создании в одной из емкостей избыточного давления возникает медленно спадающий по экспоненте поток ЖК. Производят измерение скорости снижения высоты мениска ЖК от времени при различных ориенгациях, строят экспоненциальную кривую, находят характеристическое время течения при одной из ориентации ЖК и по нему вычисляют один

73 С

го О!

о о

О

о о

ю см

из коэффициентов вязкости. Для измерений других коэффициентов вязкости

светочувствительные слои экспонируют светом с другими направлениями 1111 без удаления ЖК из капилляра. Вновь создается избыточное давление, строят новые кривые спада, находят

новые характеристические времена и вычисляют остальные коэффициенты вязкости. Техническим результатом является повышение точности измерений и снижение расхода измеряемого вещества. 2 н.п. ф-лы, 7 ил.

Фиг .1

73 С

ю сл

о о

(56) (продолжение):

СЕРИЯ: ФИЗИКА. МАТЕМАТИКА, № 1, с.39-47, 2008. ЕР 1186880 А1, 13.03.2002. БЕ 3912817 А1, 25.10.1990. О

О

о

=>

RUSSIAN FEDERATION

Ü

O O

lo

CN

D

en

(19) RU(,1)

2 510 010(3 C1

(51) Int. CI.

G01N 11/04 (2006.01)

FEDERAL SERVICE FOR INTELLECTUAL PROPERTY

(12) ABSTRACT OF INVENTION

(21)(22) Application: 2012148091/28, 13.11.2012 (72) Inventor(s):

(24) Effective date for property rights: 13.11.2012 Pasechnik Sergej Veniaminovich (RU), Semina Ol'ga Aleksandrovna (RU), Dubtsov Aleksandr Vladimirovich (RU),

Priority: (22) Date of filing: 13.11.2012 Shmeleva Dina Vladimirovna (RU),

Tsvetkov Valentin Alekseevich (RU), Chigrinov Vladimir Grigor'evich (RU)

(45) Date of publication: 20.03.2014 Bull. 8 (73) Proprietor(s):

Mail address: Federal'noe gosudarstvennoe bjudzhetnoe

107996, Moskva, ul. Stromynka, 20, MGUPI obrazovatel'noe uchrezhdenie vysshego professional'nogo obrazovanija "Moskovskij gosudarstvennyj universitet priborostroenija i informatiki" (RU)

(54) METHOD TO MEASURE ANISOTROPIC COEFFICIENTS OF VISCOSITY OF LIQUID CRYSTALS AND DEVICE FOR ITS REALISATION

(57) Abstract:

FIELD: measurement equipment.

SUBSTANCE: method to measure anisotropic coefficients of viscosity of liquid crystals, includes a procedure of measured substance pumping from one reservoir to another one under action of excessive pressure via a flat capillary, to the walls of which there are transparent electrodes applied, and aligning layers from a light-sensitive material, which may set for molecules of liquid crystals (LC) serially 3 different orientations relative to direction of the flow, when the light-sensitive material is exposed to actinic linearly polarised light with three directions of the polarisation plane (PP). The fourth orientation of LC required to measure the fourth viscosity coefficient is created by application of electric voltage. When excessive pressure is developed in one of reservoirs, the LC flow arises, slowly dropping exponentially. The LC meniscus height reduction speed is measured related to time under various orientations, the exponential curve is built, the characteristic time of flow is found under one of LC orientations, and using it, one

of viscosity coefficients is calculated. For measurements of other viscosity coefficients, light sensitive layers are exposed to light with other PP directions without removal of the LC from the capillary. Again excessive pressure is created, new drop curves are built, new characteristic times are found, and other viscosity coefficients are calculated.

EFFECT: increased accuracy of measurements and reduced consumption of a measured substance.

2 cl, 7 dwg

73 C

N9

cn

O O

O

<t>nr .1

Cip.: 3

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерениям вязкости анизотропных жидкостей, т.е. жидкостей, которые имеют разные величины вязкости в зависимости от геометрии измерений и скорости сдвигового потока. К таким жидкостям относятся, например, жидкие кристаллы (ЖК).

Они обладают свойством ориентироваться в потоке длинными осями молекул вдоль потока, и степень ориентации зависит от скорости потока. Кроме того, известно, что коэффициенты вязкости ЖК анизотропны и зависят от направления длинных осей молекул относительно направления потока. Известен способ и ю устройство для измерения анизотропных коэффициентов вязкости ЖК, описанные в[1].

Способ измерения коэффициентов вязкости заключается в том, что ЖК под действием перепада давления перегоняется из одной емкости в другую через плоский горизонтальный капилляр, при этом измеряется время перетекания определенного 15 объема жидкости. Зная геометрические параметры капилляра и время перетекания определенного объема жидкости, можно вычислить значение определенного коэффициента вязкости. Для того, чтобы измерять анизотропные коэффициенты вязкости ЖК, до начала перетекания ЖК его молекулы ориентируют определенным 20 образом относительно направления потока. Ориентация производится постоянным магнитным полем.

Если силовые линии магнитного поля перпендикулярны плоскости капилляра, то при малом перепаде давления и, следовательно, малой скорости сдвига основная масса ЖК течет таким образом, что молекулы его перпендикулярны плоскости капилляра и направлению потока. Таким образом, будет измерено значение коэффициента вязкости г| 1.

Если силовые линии магнитного поля параллельны плоскости капилляра и перпендикулярны потоку, то при малой скорости сдвига основная масса ЖК течет зо таким образом, что молекулы его перпендикулярны плоскости потока и параллельны плоскости капилляра. Таким образом, будет измерено значение коэффициента вязкости Г|3.

Если скорость сдвига велика (при большом перепаде давления), то независимо от наличия магнитного поля основная масса ЖК течет таким образом, что его молекулы ориентированы вдоль потока. Таким образом, будет измерено значение коэффициента вязкости Г]2.

Для измерения коэффициента вязкости г]! 2 магнитное поле направляют таким образом, что молекулы ЖК ориентируются под углом 45° относительно потока и 40 параллельно стенкам плоского капилляра.

Устранение неныотоновского характера течения обеспечивается выбором скорости течения (сдвига) вдали от той скорости, при которой значения коэффициентов вязкости уже начинают зависеть от скорости. Так, для измерения коэффициентов вязкости г]], т]12 и г|3 скорости сдвига выбираются меньше предела, после которого 43 начинается заметное их уменьшение вследствие ориентации молекул ЖК потоком.

Для измерения коэффициента вязкости т]2 скорость сдвига выбирается больше предела, после которого начинается заметное его уменьшение вследствие молекул ЖК в потоке.

50 Недостатками известного способа измерения анизотропных коэффициентов вязкости являются громоздкость аппаратуры, обусловленная наличием магнитов с достаточно большой напряженностью и необходимостью изменять направление магнитного поля.

Известный способ измерений не может обеспечить высокую точность измерений вследствие невозможности полной переориентации молекул ЖК вдоль силовых линий даже в полях высокой напряженности. Пристеночные слои ЖК в капилляре сохраняют ориентацию, задаваемую поверхностью капилляра, и их доля в общем объеме может быть значительной, что увеличивает погрешность измерений. Кроме того, объем вещества, необходимый для измерений, достаточно велик, что не всегда допустимо, поскольку обычно вновь синтезируемые ЖК соединения с неизвестными параметрами синтезируются, как правило, в малых или микроскопических ю количествах.

Отмеченные в известном способе недостатки устраняются в способе измерения анизотропных коэффициентов вязкости с устройством для его осуществления [2] -прототип.

Указанный технический результат достигается тем, что поток измеряемой жидкости 15 под давлением пропускается сквозь плоский капилляр, стенки которого обработаны для создания исходной ориентации ЖК в одном из фиксированных направлений. Для измерения каждого из анизотропных коэффициентов вязкости используется отдельный капилляр с соответствующей исходной ориентацией. 20 Так, для измерения коэффициента вязкости т^ стенки капилляра обработаны таким образом, что задают ЖК исходную гомеотропную ориентацию. Для измерения коэффициента вязкости % стенки капилляра обработаны так, что задают ЖК исходную планарную ориентацию с направлением длинных осей молекул вдоль потока. Для измерения коэффициента вязкости т|3 стенки капилляра обработаны так,

25

что задают ЖК исходную планарную ориентацию с направлением длинных осей молекул перпендикулярно потоку и параллельно стенкам капилляра. Для измерения коэффициента вязкости г]12 стенки капилляра обработаны так, что задают ЖК исходную планарную ориентацию с направлением длинных осей молекул под углом зо 45° относительно потока и параллельно стенкам капилляра.

Таким образом, в отсутствие громоздких магнитов в предлагаемом техническом решении обеспечиваются 4 геометрии образца, позволяющие измерять 4 анизотропных коэффициента вязкости.

Поскольку каждая из ориентации ЖК в каждом из капилляров задается стенками, то такая ориентация является совершенной по всему объему, в том числе и в пристеночных областях, в то время как при использовании для ориентации магнитов эти области могли иметь ориентацию ЖК иную, чем основной объем ЖК. Следовательно, точность измерения каждого из анизотропных коэффициентов будет 40 выше, поскольку устранены Пристеночные области с иной ориентацией. Устранение неньютоновского характера течения обеспечивается выбором скорости течения (сдвига) вдали от той скорости, при которой значения коэффициентов вязкости уже начинают зависеть от скорости.

Последовательность действий при измерении одного из анизотропных 45 коэффициентов следующая:

-1) задают некоторую разность уровня измеряемого ЖК в одной из емкостей, создавая избыточное медленно спадающее давление, например, путем введения в нее дополнительного количества ЖК; под действием этого давления в ЖК возникает 50 затухающий поток, стремящийся сравнять уровни ЖК в обеих емкостях,

- 2) снимают зависимость интенсивности света, проходящего сквозь слой ЖК в скрещенных поляроидах при течении ЖК в капилляре с определенной исходной ориентацией под действием избыточного медленно спадающего давления до полного

прекращения течения при выравнивании уровней,

- 3) по снятой зависимости интенсивности света строят зависимость фазовой задержки от времени,

- 4) по наклону зависимости фазовой задержки от времени вычисляют значение одного коэффициента вязкости,

- 5) повторяют пп.1), 2), 3), 4) для каждого из 4 капилляров с разной исходной ориентацией ЖК.

Поскольку ориентация ЖК для измерения каждого из анизотропных ю коэффициентов задается стенками капилляров и потому совершенна, то точность измерений значительно выше, чем у прототипа, и достигается эта точность без применения громоздких магнитов. Расход вещества на измерения всех 4 коэффициентов вязкости ошутим, поскольку для измерений необходимо заполнять 4 капилляра с подводящими каналами и патрубками. Основная масса измеряемого ь вещества сосредоточена в каналах и патрубках.

После измерений одного коэффициента вязкости в одном капилляре измеряемое вещество легко может быть выкачано и перемешено в другие капилляры для измерения остальных коэффициентов. 20 Недостатками предложенного в |2] решения являются значительные и

безвозвратные потери измеряемого вещества, обусловленные тем фактом, что для измерений используются 4 ячейки, и возможность полного извлечения ЖК из каждой из них ограничена. Кроме того, точность измерений имеет ограничения вследствие невозможности точно обеспечить равенство зазоров в каждой из 4 измерительных 25 ячеек, а величина зазора непосредственно входит в расчет вязкости.

Ближайшим по технической сущности и достигаемому эффекту к известным вискозиметрам является вискозиметр в виде одной кюветы, образованной прозрачными подложками с прозрачными электродами, имеющими ориентирующие 30 слои. Ориентирующие слои выполнены из светочувствительного материала, способного по-разному ориентировать молекулы ЖК в прилегающих слоях в зависимости от направления плоскости поляризации света, которым был экспонирован ориентирующий слой. За счет ориентирующих слоев обеспечиваются 3 необходимые для измерений 3-х коэффициентов вязкости планарные ориентации ЖК с 35 разными азимутальными направлениями молекул ЖК на поверхности

ориентирующего слоя: параллельно направлению потока ЖК, перпендикулярно направлению потока и под углом 45° к направлению потока. Четвертая, гомеотропная ориентация ЖК (перпендикулярная направлению потока и стенкам 40 кюветы), необходимая для измерения четвертого коэффициента вязкости,

обеспечивается приложением управляющего напряжения достаточной величины. Наличие 4-х ориентации ЖК позволяет измерить 4 коэффициента вязкости.

Формирование 3 различных планарных ориентации в одной ячейке осуществляется путем экспонирования светочувствительного ориентирующего слоя поляризованным 45 актиничным светом соответствующей поляризации.

Предлагаемый способ и устройство для его осуществления позволяют повысить точность измерений и уменьшить расход измеряемого материала.

Предлагаемые способ измерения вязкости ЖК и устройство для его осуществления поясняются чертежом, где на:

Фиг. 1 а приведена конструкция ЖК ячейки, вид сверху,

Фиг.1 в - источник УФ излучения,

Фиг. 1с - лучи с плоскостью поляризации, перпендикулярной чертежу.

Фиг.2 - разрез ячейки по линии А-А,

Фиг.З - три различные ориентации молекул ЖК при трех направлениях плоскости поляризации экспонирующего излучения.

Предлагаемый вискозиметр состоит из двух емкостей в виде патрубков 1 и 2 соединенных плоским капилляром 3 (Фиг. 1а). Плоский капилляр составлен из двух прозрачных подложек 4, на внутренних сторонах которых нанесены прозрачные электроды 5 и светочувствительные ориентирующие слои 6. Подложки скреплены компаундом 7, расположены одна от другой на некотором расстоянии d, задаваемом ю прокладками 8. Полость, образованная подложками 4, заполнена ЖК 9. Патрубки 1 и 2 и прокладки 8 обеспечивают возможность протекания ЖК сквозь капилляр 3 (Фиг.2).

Для функционирования вискозиметра и реализации предлагаемого способа необходим источник ультрафиолетового (УФ) излучения 10 (Фиг. 1в) с возможностью 13 создавать плоско поляризованный свет 11 с различными положениями плоскости поляризации (ПП) - не входит в состав настоящего изобретения.

На Фиг. 1 в приведена одна из них - с плоскостью поляризации, лежащей в плоскости чертежа (S-поляризация), а на Фиг. 1с - с плоскостью ПП, перпендикулярной 20 плоскости чертежа (Р-поляризация).

Источник УФ излучения 10 может быть реализован многими вариантами. Один из них приведен на Фиг.1в и включает лампу УФ света 12, которая испускает неполяризованный свет 13, который после прохождения поляризатора 14, например призмы Глана, становится плоско поляризованным светом 11. Направление ПП 25 света 11 может принимать любое положение, например, за счет вращения поляризатора относительно оси.

В исходном состоянии измеряемый ЖК вводится в патрубки 1, 2 до одинакового исходного уровня 15. Перед началом измерений светочувствительные ориентирующие 30 слои 6 экспонируются актиничным УФ светом с определенным направлением ПП, например горизонтальным, как это показано на Фиг.2 в пределах области abed. Экспонирование производится от источника 10 на оба ориентирующих слоя 6, причем один из слоев экспонируется сквозь другой ориентирующий слой и слой ЖК, предпочтительно нагретый до температуры выше перехода в изотропную фазу. И, как " было установлено экспериментально, это позволяет получить необходимую совершенную исходную ориентацию.

Реализуется предложенный способ измерений следующим образом.

В один из патрубков, например, 1 вводится некоторое количество ЖК 16, которое 40 создает дополнительное давление AP=pgAH, где р - плотность ЖК, АН - высота

дополнительного столба ЖК, g - ускорение свободного падения. Под действием этого давления сквозь плоский капилляр 3 возникает сдвиговый затухающий поток, который стремится уравнять уровни ЖК. Поскольку избыточное давление невелико, ЖК течет медленно и сохраняет ориентацию молекул, задаваемую ориентирующими 45 слоями. При течении ЖК в соответствии с Фиг.2 (молекулы ориентированы вдоль потока) будет измерен коэффициент вязкости т]2. Для получения его величины измеряют высоту мениска ЖК в патрубке 1 через определенные (необязательно равные) промежутки времени и строят характеристическую кривую. -п Как было экспериментально нами установлено, мгновенный перепад давления AP(t) изменяется со временем по закону: AP(t)=AP0 exp(-t/xAP), где характеристическое время:

тдр = К- *Г|/р, (1).

здесь К* - постоянная вискозиметра, зависящая от геометрических параметров капилляра и площади поперечного сечения патрубка, которая может быть рассчитана или экспериментально определена из калибровочных измерений вязкости известной жидкости с известными коэффициентами вязкости, например воды или этилового спирта, Т1 - коэффициент сдвиговой вязкости жидкого кристалла при определенной ориентации последнего.

При найденной постоянной вискозиметра К* и зная характеристическое время тЛР для конкретного ЖК по формуле (1) вычисляют значение одного из коэффициентов ю вязкости.

Для измерения второго коэффициента вязкости ожидают некоторое время, в течение которого уровни ЖК в патрубках сравняются, и повторяется следующая последовательность действий:

1) Производят новую экспозицию ориентирующих слоев для придания слою ЖК в ь капилляре другой ориентации, например планарную, при которой молекулы ЖК

ориентированы перпендикулярно потоку (Фиг.За).

2) Вводят в патрубок некоторое количество измеряемого ЖК.

3) Измеряют исходную высоту мениска и его высоту через определенные 20 промежутки времени (5-10 замеров).

4) По измеренным значениям высоты мениска строят характеристическую кривую и вычисляют характеристическое время тДР для новой ориентации ЖК.

5) По формуле (1) вычисляют второй коэффициент вязкости - г|3 (Фиг.Зв).

Для измерения третьего коэффициента вязкости после установления одинакового

25

уровня ЖК в патрубках повторяют последовательности 1)- 5), только при экспозиции ориентирующих слоев используют свет с плоскостью поляризации, составляющей 45° с направлением потока (Фиг.Зв). В результате будет измерен коэффициент вязкости Л12-

зо Для измерения четвертого коэффициента вязкости после установления одинакового уровня ЖК в патрубках к прозрачным электродам 5 (Фиг.1) прикладывают управляющее электрическое напряжение порядка 50 В 50-100 Гц и повторяют последовательности 2)- 5).

После приложения электрического напряжения молекулы ЖК с положительной

35 „

диэлектрическои выстраиваются длинными осями вдоль силовых линии (перпендикулярно подложкам или гомеотропная ориентация). Если измеряемый ЖК имеет отрицательную диэлектрическую анизотропию, управляющее напряжение должно иметь частоту не менее 1000 Гц, и тогда также будет получена гомеотропная 40 ориентация ЖК. Поскольку величина избыточного давления невелика, скорость потока незначительна и поток ЖК не в состоянии изменить гомеотропную ориентацию, заданную приложенным напряжением. В результате будет измерен коэффициент вязкости т| х.

После четырехкратного повторения операций 1) -5) будут измерены 4 45 коэффициента вязкости ЖК. Расход ЖК на измерение 4 коэффициентов незначителен: основная часть ЖК сосредоточена в капилляре и патрубках с одинаковым уровнем и 4 незначительные добавки для создания добавочного давления в одном из патрубков. После всех 4-х измерений ЖК может быть извлечен практически без ¡о потерь и использоваться для других целей, поскольку его чистота не нарушена.

Точность измерений составляет 2-3% (точность измерений прототипа составляет 56%). Этот факт обеспечен благодаря тому, что ориентация молекул ЖК за счет светочувствительного слоя совершенна, и все измерения производятся в одном и том

же капилляре, т.е. отсутствует эффект разнотолщинности, присущий прототипу.

Таким образом, заявленный технико-экономический эффект: увеличение точности измерений и снижение расхода измеряемого ЖК достигнут.

Пример исполнения предлагаемого вискозиметра.

Был изготовлен экспериментальный образец вискозиметра. В качестве подложек использовались стекла толщиной 2 мм с прозрачными электродами из смеси двуокиси олова индия. На поверхность прозрачных электродов методом центрифугирования из спиртового раствора дихроичного азокрасителя был нанесен светочувствительный ю ориентирующий слой. Рабочая площадь измерительной ячейки составляла 2x2 см. В качестве патрубков использовались стеклянные капилляры с металлическими наконечниками диаметром 3 мм с внутренним диаметром 2,5 мм. Подложки при помощи кусков тефлоновых прокладок толщиной 100 мкм были размещены на расстоянии 100 мкм одна от другой, и боковые грани смещены на 5 мм, образуя уступ. 13 В образовавшийся выступ были помешены отрезки полых трубок с отверстиями. Патрубки и подложки были скреплены эпоксидной смолой в монолитную конструкцию, и после ее затвердевания были проведены измерения 4 коэффициентов вязкости известного ЖК - пентил-циано бифенил (5СВ). Для этого до начала 20 измерений ЖК экспериментально была найдена постоянная вискозиметра К*. В

капилляр была введена контрольная жидкость -этиловый спирт, имеющий известную вязкость 1,19 сП. После выравнивания уровней жидкости в патрубках в один из них было дополнительно введено 0,3 см3 спирта. В процессе перетекания жидкости 5 раз при помощи фотографирования произведено измерение высоты мениска и по

25

вычисленному характеристическому времени и известной вязкости постоянная К* оказалась равной 2,05-106 с2/м2. После удаления контрольной жидкости и просушки вискозиметра была произведена экспозиция ориентирующих слоев от источника УФ излучения с длиной волны 354 нм сквозь поляризатор - призму Глана в течение 5 мин. зо Направление плоскости поляризации при первом измерении было горизонтальным (вдоль потока). В капилляр при помощи шприца ввели 0,5 см ' ЖК. По истечении 10 мин уровни ЖК в обоих патрубках сравнялись, и в один из патрубков было введено 0,2 см-1 ЖК. Под действием избыточного давления ЖК начал перетекать 35 сквозь капилляр в другой патрубок. Через интервалы времени 1 мин производили фотографирование высоты мениска. По результатам 6 измерений была построена кривая спада высоты и вычислено характеристическое время т=210 с. По формуле (1) находим коэффициент вязкости г|2=20,6 сП (табличное значение - 20,4 сП).

Изменяя ориентацию ЖК путем экспозиции ориентирующего слоя с двумя другими 40 направлениями ориентации находим коэффициенты вязкости т]3 и г)12 равные соответственно 32,8 и 6,4 сП (табличные значения 32,4 и 6,1 сП соответственно).

После приложения напряжения 50В 100 Гц по описанной выше методике измеряем коэффициент вязкости т]1=102 сП (табличное значение -105 сП). 45 Как видно из измерений, расхождения измеренных и табличных не превышают 1 %, что подтверждает достижение заявленной цели изобретения: повышение точности. Общий расход ЖК составил 0,7 см3, причем для использования в других целях можно извлечь до 90% ЖК.

Источники информации

1. Ch. Gahwiller, Mol. Cryst. Liq. Cryst. (1973) v.20, p.301-308.

2. Способ измерения вязкости и устройство для его осуществления. Пат. России №RU 2279662 С1. МКИ8 G01N011/04, приор. 10.07.2006.

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Формула изобретения

1. Способ измерения анизотропных коэффициентов вязкости жидких кристаллов, включающий процедуру перекачивания измеряемого жидкого кристалла между двумя емкостями, соединенными плоским капилляром, под действием избыточного медленно спадающего давления в одной из емкостей, отличающийся тем, что для измерения 4 анизотропных коэффициентов вязкости используют один плоский капилляр, имеющий на внутренних поверхностях прозрачные электроды и светочувствительные ориентирующие слои, которые последовательно придают слою ЖК 3 различные ориентации относительно направления потока ЖК при 3 положениях плоскости поляризации экспонирующего излучения, а четвертую ориентацию создают за счет приложения к электродам управляющего напряжения, измеряют скорость снижения высоты мениска ЖК в одной из емкостей для каждой из 4 ориентации ЖК, строят зависимость спада высоты мениска ЖК для каждой из 4 ориентаций, находят характеристическое время спада высоты мениска и по нему вычисляют каждый из 4 коэффициентов.

2. Устройство для измерения анизотропных коэффициентов вязкости ЖК, содержащее две емкости в виде патрубков, соединенных плоским капилляром, состоящим из прозрачных подложек с прозрачными электродами и ориентирующими слоями, отличающееся тем, что ориентирующие слои выполнены из светочувствительного материала, способного ориентировать молекулы ЖК вдоль направления плоскости поляризации при экспозиции светочувствительного материала и способного обратимо менять ориентацию молекул ЖК при изменении плоскости поляризации без удаления ЖК после каждого измерения.

9 8

Фиг.2

Фиг.За

/ // -H*

//S'/Yr-

~\b

Фиг.ЗЬ

• _ •

пь

jC

Фиг.Зс Фиг. 3

142

ПРИЛОЖЕНИЕ Б (справочное)

Таблица Б.1 - Значения интенсивностей прошедшего излучения, полученные при аппроксимации по синусоидальному закону, в соответствии со значениями углов

поворота поляроидов.

Угол (независимая переменная) для зоны 1 Значение синусоиды для ¡1 (отн.ед.) Угол (независимая переменная) для зоны 2 Значение синусоиды для ¡2 (отн.ед.) Угол (независимая переменная) для зоны 3 Значение синусоиды для ¡3 (отн.ед.)

30 0,8077 0 1,17861 30 1,03591

30,40404 0,78666 0,90909 1,19404 30,50505 1,01455

30,80808 0,76579 1,81818 1,20751 31,0101 0,99313

31,21212 0,74507 2,72727 1,21898 31,51515 0,97166

31,61616 0,72453 3,63636 1,22841 32,0202 0,95015

32,0202 0,70418 4,54545 1,23576 32,52525 0,92862

32,42424 0,68402 5,45455 1,24101 33,0303 0,90709

32,82828 0,66407 6,36364 1,24414 33,53535 0,88556

33,23232 0,64432 7,27273 1,24514 34,0404 0,86405

33,63636 0,62481 8,18182 1,244 34,54545 0,84258

34,0404 0,60552 9,09091 1,24074 35,05051 0,82116

34,44444 0,58647 10 1,23535 35,55556 0,79981

34,84848 0,56768 10,90909 1,22786 36,06061 0,77853

35,25253 0,54915 11,81818 1,2183 36,56566 0,75734

35,65657 0,53088 12,72727 1,2067 37,07071 0,73627

36,06061 0,51289 13,63636 1,1931 37,57576 0,71531

36,46465 0,49519 14,54545 1,17755 38,08081 0,69449

36,86869 0,47778 15,45455 1,16011 38,58586 0,67381

37,27273 0,46068 16,36364 1,14083 39,09091 0,6533

37,67677 0,44388 17,27273 1,11978 39,59596 0,63297

38,08081 0,42741 18,18182 1,09704 40,10101 0,61282

38,48485 0,41126 19,09091 1,0727 40,60606 0,59288

38,88889 0,39544 20 1,04682 41,11111 0,57316

39,29293 0,37997 20,90909 1,01952 41,61616 0,55366

39,69697 0,36485 21,81818 0,99087 42,12121 0,5344

40,10101 0,35008 22,72727 0,96099 42,62626 0,5154

40,50505 0,33568 23,63636 0,92998 43,13131 0,49667

40,90909 0,32165 24,54545 0,89795 43,63636 0,47822

41,31313 0,30799 25,45455 0,86501 44,14141 0,46006

41,71717 0,29472 26,36364 0,83129 44,64646 0,44221

42,12121 0,28184 27,27273 0,79689 45,15152 0,42467

42,52525 0,26936 28,18182 0,76194 45,65657 0,40746

42,92929 0,25727 29,09091 0,72656 46,16162 0,39059

43,33333 0,2456 30 0,69089 46,66667 0,37407

43,73737 0,23434 30,90909 0,65504 47,17172 0,35791

Продолжение таблицы Б.1

44,14141 0,2235 31,81818 0,61914 47,67677 0,34212

44,54545 0,21308 32,72727 0,58332 48,18182 0,32672

44,94949 0,2031 33,63636 0,5477 48,68687 0,31171

45,35354 0,19354 34,54545 0,51242 49,19192 0,2971

45,75758 0,18443 35,45455 0,47759 49,69697 0,28291

46,16162 0,17576 36,36364 0,44335 50,20202 0,26913

46,56566 0,16753 37,27273 0,4098 50,70707 0,25579

46,9697 0,15976 38,18182 0,37707 51,21212 0,24289

47,37374 0,15244 39,09091 0,34528 51,71717 0,23044

47,77778 0,14558 40 0,31453 52,22222 0,21845

48,18182 0,13919 40,90909 0,28494 52,72727 0,20692

48,58586 0,13325 41,81818 0,25661 53,23232 0,19586

48,9899 0,12778 42,72727 0,22965 53,73737 0,18528

49,39394 0,12279 43,63636 0,20413 54,24242 0,17519

49,79798 0,11827 44,54545 0,18017 54,74747 0,1656

50,20202 0,11422 45,45455 0,15783 55,25253 0,1565

50,60606 0,11064 46,36364 0,13721 55,75758 0,14791

51,0101 0,10755 47,27273 0,11837 56,26263 0,13983

51,41414 0,10493 48,18182 0,10138 56,76768 0,13227

51,81818 0,1028 49,09091 0,08629 57,27273 0,12524

52,22222 0,10115 50 0,07318 57,77778 0,11872

52,62626 0,09998 50,90909 0,06207 58,28283 0,11274

53,0303 0,0993 51,81818 0,05301 58,78788 0,1073

53,43434 0,09909 52,72727 0,04603 59,29293 0,1024

53,83838 0,09938 53,63636 0,04115 59,79798 0,09803

54,24242 0,10014 54,54545 0,0384 60,30303 0,09421

54,64646 0,10139 55,45455 0,03778 60,80808 0,09094

55,05051 0,10312 56,36364 0,0393 61,31313 0,08822

55,45455 0,10534 57,27273 0,04294 61,81818 0,08606

55,85859 0,10803 58,18182 0,04871 62,32323 0,08444

56,26263 0,11121 59,09091 0,05656 62,82828 0,08338

56,66667 0,11486 60 0,06649 63,33333 0,08287

57,07071 0,11899 60,90909 0,07845 63,83838 0,08292

57,47475 0,12359 61,81818 0,0924 64,34343 0,08352

57,87879 0,12867 62,72727 0,10829 64,84848 0,08468

58,28283 0,13421 63,63636 0,12607 65,35354 0,08639

58,68687 0,14022 64,54545 0,14566 65,85859 0,08866

59,09091 0,1467 65,45455 0,16702 66,36364 0,09148

59,49495 0,15364 66,36364 0,19005 66,86869 0,09484

59,89899 0,16103 67,27273 0,21467 67,37374 0,09875

60,30303 0,16888 68,18182 0,24081 67,87879 0,10321

60,70707 0,17718 69,09091 0,26836 68,38384 0,10821

61,11111 0,18592 70 0,29723 68,88889 0,11375

61,51515 0,19511 70,90909 0,32732 69,39394 0,11982

61,91919 0,20474 71,81818 0,35852 69,89899 0,12643

Продолжение таблицы Б.1

62,32323 0,2148 72,72727 0,39072 70,40404 0,13355

62,72727 0,22528 73,63636 0,42381 70,90909 0,14121