Ультразвук и динамические процессы при фазовых переходах и структурных превращениях в ориентированных жидких кристаллах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, доктор физико-математических наук Пасечник, Сергей Вениаминович

• Пасечник, Сергей Вениаминович
• доктор физико-математических наук
• 1998

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Пасечник, Сергей Вениаминович

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. КРИТИЧЕСКАЯ ДИНАМИКА ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА НЕМАТИК - ИЗОТРОПНАЯ ЖИДКОСТЬ

1.1. Методические особенности измерения анизотропных акустических параметров жидких кристаллов в области полимезоморфных превращений

1.2. Динамические процессы и акустические параметры в окрестности температуры просветления

1.2.1. Коэффициент поглощения и скорость ультразвука при немати-ко - изотропном переходе

1.2.1.1. Соединения с широким интервалом существования немати-ческой фазы

1.2.1.2. Мезогенные соединения с узким интервалом существования нематической фазы

1.2.2. Критическая динамика N -1 перехода

1.2.2.1. Предпереходные аномалии в изотропной фазе

1.2.2.2. Влияние N -1 перехода на коэффициент поглощения и скорость ультразвука в нематической фазе

1.3 Параметры угловых зависимостей коэффициента поглощения и скорости ультразвука в нематической фазе

1.3.1. Угловая зависимость коэффициента поглощения ультразвука и диссипативные параметры нематика

1.3.2. Параметры угловой зависимости скорости ультразвука и релаксационные процессы в нематиках

Глава 2. ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ОКРЕСТНОСТИ

ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА НЕМАТИК - СМЕКТИК А

2.1. Акустические параметры нематической фазы в окрестности фазового перехода нематик-смектик А

2.1.1. Температурно- частотные зависимости коэффициента поглощения и скорости ультразвука

2.2. Анизотропный характер скорости у-льтразву-ка при фазовом переходе нематик - смектик А

2.2.1. Анизотропия скорости ультразвука в окрестности 1 мД

2.2.2. Параметры угловой зависимости анизотропии скорости ультразвука при фазовом переходе нематик-смектик А

2.3. Влияние критических процессов на анизотропию поглощения ультразвука

Глава 3. АНИЗОТРОПНОЕ РАСПРОСТРАНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА ПРИ ФАЗОВОМ ПЕРЕХОДЕ ВТОРОГО РОДА СМЕКТИК А -СМЕКТИК С

3.1. Особенности критической динамики фазового перехода смектик А - смектик С

3.2. Анизотропная скорость ультразвука и аномалии упругих модулей в области фазового перехода смектик А - смектик С

3.3. Особенности критических аномалий анизотропного поглощения ультразвука при фазовом переходе смектик А - смектик С

Глава 4. ОСОБЕННОСТИ КРИТИЧЕСКОИ ДИНАМИКИ В СИСТЕМЕ С МУЛЬТИКРИТИЧЕСКОЙ ТОЧКОЙ НЕМАТИК-СМЕКТИК А - СМЕКТИК С

4.1. Акустические параметры в окрестности температуры просветления при изменяющемся температурном интервале существования нематической фазы

4.2. Скорость и коэффициент поглощения ультразвука на линии переходов в смектические фазы

4.3. Анизотропия поглощения ультразвука при фазовых переходах из нематической в смектические С и А фазы

4.4. Акустические параметры смектической С фазы

Глава 5. УЛЬТРАЗВУК И СТРУКТУРНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ В СМЕКТИКАХ С, ВЫЗВАННЫЕ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ

5.1. Изменения акустических параметров при переориентации смек-тической С фазы

5.1.1. Угловые зависимости коэффициента поглощения ультразвука во вращающемся магнитном поле

5.1.2. Анизотропия скорости и коэффициента поглощения ультразвукам смектической С фазе в статическом магнитном поле

5.2. Бистабильность и гистерезис акустических параметров в смектической С фазе

5.3. Акустические исследования смектической С фазы при вариации слоевой структуры

5.3.1. Индукционные зависимости коэффициента поглощения ультразвука в смектической С фазе

5.3.2. Ориентационные зависимости поглощения ультразвука в смектиках С с различающейся слоевой структурой

Глава 6. ОСОБЕННОСТИ ПОВЕДЕНИЯ ОРИЕНТАЦИОННОЙ СТРУКТУРЫ СМЕКТИКА С В ИЗМЕНЯЮЩИХСЯ МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ

6.1. Модельные представления о воздействии магнитного поля на смектическую С фазу

6.2. Индуцированные магнитным полем изменения ориентационной структуры смектика С в случае аксиальной симметрии

6.2.1. Влияние на ориентационную структуру смектика С сильного магнитного поля

6.2.1.1. Изменения ориентационной структуры и коэффициента поглощения ультразвука в области моностабильности

6.2.1.2. Особенности акустического отклика смектика С в области бистабильности

6.2.2. Вариации ориентационной структуры смектика С и коэффициента поглощения ультразвука в слабых магнитных полях

6.3. Ориентационная структура смектической С фазы при отсутствии аксиальной симметрии

6.3.1. Изменения структуры смектика С в слабом магнитном поле нормальной ориентации

6.3.2. Изменения ориентационной структуры при вращении магнитного поля в плоскости смектических слоев

6.3.2.1. Динамика ориентационной структуры и коэффициент поглощения ультразвука при вращении поля большой напряженности

6.3.2.2. Влияние бистабильности на динамический отклик смектика С во вращающемся магнитном поле

6.3.3. Поведение смектика С при вращении магнитного поля в плоскости, ортогональной смектическим слоям

6.3.3.1. Динамический отклик идеального смектика С на вращающееся поле умеренной напряженности

6.3.3.2. Влияние типа слоевой структуры на переориентацию смектика С во вращающемся магнитном поле

Глава 7. УЛЬТРАЗВУК И ДИНАМИКА ИЗМЕНЕНИЙ ОРИЕНТАЦИОННОЙ СТРУКТУРЫ НЕМАТИКА В ОКРЕСТНОСТИ ПЕРЕХОДА ФРЕДЕРИКСА

7.1. Методика исследования динамики изменений ориентационной структуры при комбинированном воздействии электрического, магнитного и акустического полей

7.2. Теоретические представления о релаксации слоя нематического жидкого кристалла

ний

7.6.1. Влияние магнитного поля на динамику ориентационной структуры

- б -

7.6.2. Ориентационная релаксация в условиях воздействия электрического и магнитного полей

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

ПРИЛОЖЕНИЕ

/

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Ультразвук и динамические процессы при фазовых переходах и структурных превращениях в ориентированных жидких кристаллах»

ВВЕДЕНИЕ

На протяжении последних десятилетий жидкие кристаллы (ЖК) привлекают к себе пристальное внимание широкого круга специалистов, занимающихся как фундаментальными исследованиями физических свойств конденсированного состояния вещества, так и практическим применением новых материалов в приборостроении. Промежуточное положение жидкокристаллического состояния вещества, многообразие мезофаз, отличающихся ориентационными и трансляционными структурами, разнообразные типы полимезоморфизма, присущие различным химическим соединениям делают жидкие кристаллы исключительно интересными объектами с точки зрения экспериментального исследования фазовых превращений различного типа и проверки адекватности основных положений современной теории фазовых переходов. При этом наибольший интерес представляют полимезоморфные превращения, не сопровождающиеся сильными скачками первых производных от термодинамических потенциалов, которые в той, или иной степени, приближаются к классическим фазовым переходам 2-го рода. В жидкокристаллических соединениях к указанным превращениям можно отнести фазовый переход смектик А-смектик С (А-С)и, с некоторыми оговорками, переход нематик-смектик А (Ы-А). Наиболее изученный фазовый переход нематик-изотропная жидкость(М-1) сопровождается относительно малыми скачками плотности и энтропии, что позволяет отнести его к слабому переходу 1-го рода, в окрестности которого имеют место характерные критические явления. Для всех, отмеченных выше полиморфных превращений наблюдались сильные предпере-ходные аномалии [ I - б ] в поведении как равновесных

(теплоемкость, сжимаемость), так и неравновесных (вязкость, теплопроводность) параметров жидких кристаллов, причем последние изучены в существенно меньшей степени.

Хорошо известно [1,6-8 ] что акустические методы являются эффективным средством исследования критических динамических процессов в области фазовых переходов. Выполненные к настоящему времени ультразвуковые исследования в окрестности температуры про-

светления [6,8-15 определенно демонстрируют перспективность использования акустических методов для изучения динамики фазовых переходов в жидкокристаллических соединениях. Тем не менее, даже для нематико -изотропного перехода остается ряд нерешенных проблем, затрудняющих интерпретацию результатов ультразвуковых исследований в рамках динамической теории фазовых переходов. В первую очередь к ним относится проблема надежного выделения критических вкладов в акустические параметры, связанных именно с динамическими процессами, протекающими в окрестности температуры просветления. С учетом возможности существования в жидкокристаллических соединениях внутримолекулярных релаксационных процессов, времена которых сравнимы с характерными временами критических релаксационных процессов, решение данной задачи не является тривиальным. Одним из эффективных способов повышения информативности результатов ультразвуковых измерений с точки зрения исследования критической динамики фазовых переходов, является снижение частоты ультразвуковых колебаний, приводящее к существенному возрастанию аномальных вкладов в акустические параметры за счет критического замедления динамических процессов при приближении к температуре перехода. Однако, возникающие при этом серьезные трудности методического характера существенно ограничивают возможности расширения ультразвукового диапазона в области низких частот. В связи с этим подавляюща часть ультразвуковых исследований жидких кристаллов, выполнена на частотах ультразвука, больших 1 МГц. Отдельные измерения[ 9, II, 12 ], проведенные при более низких частотах не решают проблему в це-. лом. Еще большую актуальность понижение частоты ультразвука приобретает при исследовании фазовых переходов 2-го рода (смектик А-смектик С), или приближающихся к последним ( нематик-смектик А), т.к в этом случае ( в отличии от N-1 перехода) характерные времена критических процессов расходятся к температуре перехода и следовательно уменьшение частоты напрямую связано с возможностью изучения критических процессов в непосредственной близости к температуре расходимости. Как будет показано в данной работе, в отдельных случаях заметные аномалии акустических параметров в области полимезоморфных превращений наблюдаются лишь при предельно низких частотах ультразвука.

Особо следует подчеркнуть важность низкочастотных измерений акустических параметров с точки зрения проверки выводов динамической теории критических явлений в жидких кристаллах.

Действительно, в большинстве случаев аналитические выражения для температурно-частотных зависимостей аномальных акустических параметров, связанных с рассматриваемым фазовым переходом, удается получить лишь в низкочастотном( или высокочастотном) пределах, где отмеченные аномалии подчиняются простым законам с универсальными критическими показателями[ 1, 10 ]• При этом особый интерес представляет именно случай низких частот в связи со значительным увеличением критических вкладов. Использованный в данной работе акустический резонатор позволил существенно понизить границу частотного диапазона ультразвуковых исследований (до 0,2 МГц), и,с дополнительным использованием традиционного импульсно-фазового метода, получить достоверную информацию о температурно-частотных зависимостях критических аномалий акустических параметров.

Особенностью критических явлений, присущих именно полимезоморфным превращениям в жидких кристаллах, является их анизотропный характер. С точки зрения акустических исследований он предполагает проведение измерений не только абсолютных значений скорости (с) и коэффициента поглощения (а) ультразвука, но и их вариаций, вызванных изменением угла 0 между средним направлением длинных осей молекул (директором п) и волновым вектором Анализ угловых зависимостей акустических параметров позволил провести детальную проверку выводов динамической теории критических процессов в жидких кристаллах. Особенно много новой информации было получено для фазового перехода смектик А - смектик С, для которого критические процессы имеют ярко выраженный анизотропный характер [ 13 ]■ Акустическим исследованиям критической динамики фазовых переходов нематик - изотропная жидкость, нематик-смектик А, смектик А-смектик С посвящены первые три главы диссертации. В четвертой главе описаны результаты акустических исследований критической динамики в бинарной жидкокристаллической системе, имеющей мультикритическую КАС-точку. Особенностью системы является происходящее в окрестности КАС-точки изменение ти-

па ; полимезоморфизма; :и . рода перехода из нематической в смектиче-скую (А или С) фазы. Указанными изменениями можно управлять за счет вариации процентного содержания компонентов системы. Несмотря на то ,что термодинамические свойства ( в частности теплоемкость) таких систем исследовались довольно тщательно[ 1, 14 ], информация о соответствующей динамике критических процессов практически отсутствует. Представленные в четвертой главе данные ультразвуковых исследований однозначно указывают на зависимость характера критических аномалий от близости к ЫАС-точке.

Отдельной проблемой, рассмотренной в диссертации, является вопрос о возможности использования акустических методов для исследования изменений макроструктуры жидких кристаллов, вызванных полями (магнитными и электрическими). Известно, что из всех мезофаз только не-матическая и смектическая С-фазы обладают способностью изменять физические свойства под действием относительно слабых полей, что связано с кооперативным характером отклика молекул на приложенные поля. Проведенные ранее исследования [ б, 15 ] показали высокую информативность акустического метода при исследованиях квазистатических и динамических изменений ориентационной структуры нематиков в условиях воздействия различных ориентирующих факторов (магнитных полей и сдвиговых течений). В смектической С-фазе умеренное магнитное поле способно воздействовать на ориентационную структуру без деформации слоевой структуры. Это открывает возможность установления однозначной связи вызванных полем изменений акустических параметров с вариациями . ориентационной структуры смектика С. При этом следует учесть, что вследствие пространственных ограничений, накладываемых на движение С-директора, варианты отклика смектика С на воздействующие поля существенно многообразнее, чем в случае НЖК[16, 17, 18]. Основная проблема заключается в том, насколько существующие модельные представления о структуре смектической С-фазы и характере ее изменений в магнитных полях соответствуют поведению реальных образцов смектиков С. Решения данной проблемы могут быть получены на основе комплекса акустических исследований смектической С-фазы в магнитных полях, проведенных при вариации условий формирования образцов смектиков С, индукции и на-

правления воздействующего на смектическую фазу магнитного поля, взаимной ориентации волнового вектора относительно вектора индукции магнитного поля, в котором проводилось формирование образца, и.т.д. В главе 5 приводятся результаты экспериментов такого рода, указывающие на необходимость дальнейшего развития модельных представлений о воздействии магнитного поля на структуру смектической С-фазы

Эта задача решается в 6-й главе диссертации. В предлагаемой модели учитывается ненасыщающий характер воздействия магнитного поля на ориентационную структуру смектика С, который, наряду с учетом искажений слоевой структуры, позволяет объяснить ряд особенностей акустического отклика смектической С-фазы на воздействие магнитных полей.

Последняя глава диссертации посвящена экспериментальным исследованиям динамических изменений ориентационной структуры нема-тиков при комбинированном воздействии электрических и магнитных полей, а также акустических колебаний ультразвукового диапазона частот в условиях вариации термодинамических параметров состояния. Выполненные в последнее время исследования [Г9-201 деформаций ориентации слоя нематика в скрещенных электрических и магнитных полях подтверждают эффективность комбинированного воздействия различных ориентирующих факторов с точки зрения получения новой информации о структурных изменениях в жидких кристаллах. В этой связи несомненный интерес представляет использование в качестве дополнительного ориентирующего фактора ультразвуковых колебаний. Следует отметить, что информация о динамике оптического отклика нематических жидких кристаллов на акустические колебания в условиях дополнительного воздействия электрических и магнитных полей практически полностью отсутствует в научной литературе. Вместе с тем, такие исследования открывают новые перспективы в практическом применении жидких кристаллов не только в устройствах отображения информации , но и высокочувствительных датчиках, предназначенных для регистрации механических колебаний [21, 22 ].

Несомненный интерес представляет также исследование оптического отклика жидкокристаллического слоя на воздействие различных ориентирующих факторов в условиях вариации гидростатического давления. Экспериментальные результаты такого рода, впервые полученные в

данных исследованиях, позволяют прогнозировать работу жидкокристаллических устройств в условиях вариации термодинамических Р,Т - параметров состояния. При этом собый интерес для акусто- и электрооптических исследований представляет область переходов Фредерикса, где следует ожидать максимальной чувствительности ориентационной структуры к возмущающим факторам различного типа.

С учетом довольно разнообразного круга задач, решаемых в данной работе, в качестве объектов исследования выбирались различные жидкокристаллические соединения. Основными критериями при исследовании фазовых переходов являлось наличие необходимого типа полимезо-морфизма, возможность надежного выделения аномальных вкладов в анизотропные акустические параметры, связанных с изучаемым переходом, а также существование достаточно обширной информации, полученной независимыми методами и позволяющей, наряду с данными акустических измерений, сделать обоснованные выводы об особенностях критической динамики при полимезоморфных превращениях в жидких кристаллах. Ниже приведен перечень объектов исследования с указанием химического строения, типа полиморфизма и температур фазовых переходов:

1. Р-п-бутоксибензилиден-п-бутиланилин (БББА):

счн90-(~)_ сцн9

бг -М1К .ВОЛК, £е Г315",5К. ^ЛЩ. у у

2. 4-нитрофенил-4-п-октилоксибензоат (НФОБ).

8 П \ _ / \_/ *

6,-ЛШХ. Ос м I

3 .п -бутилоксифениловый эфир п-нонилоксибензойной кислоты (409)

• - <

9УК Ж >сЛ.

Сг .Мб*, 5с -ЖЕ. 5д ШЗК_ и _ 359,9К

/

4,п-гексилоксифениловый эфир п- децилоксибензойной кислоты

(6010) -

Ч,0". .—G00 — -ОС, Н,,

ю ¿1 \ / \ _/ ь '3

fo •- Silk 5з -3/7/Г. 5с Sa -jmiL н

♦_5 35,6К_t

5, n-гексилоксифениловый эфир п- октилоксибензойной кислоты

(608) _ -

г ч л # s // \ Ллп

3 17 /-C0°-N /-V,

Ос sc -// I

Кроме того, исследовались фазовые превращения в бинарной системе, образуемой двумя последними соединениями (608,6010), в которой реализуется мультикритическая NAC-точка.

С точки зрения молекулярного строения, общим для всех исследованных объектов, являлось наличие двух бензольных колец, во многом определяющих диамагнитные свойства жидкокристаллических соединений [ Zi ], жестко соединенных центральной группой ( группа СОО во всех объектах, за исключением БББА). При этом для отдельных объектов характерно и совпадение одной из концевых групп (группа ОСТ^для БББА и 409, группа СНО для НФОБ и 608, группа ОСН.- для 6010 и 608).

Отмеченные особенности молекулярного строения играют существенную роль при исслёд9вании полиморфных превращений в данных объектах. Так, близость молекулярного строения 608 и 6010 проявляется практически в совпадении температур просветления, как в индивидуальных соединениях, так и в смесях, что свидетельствует о близости межмолекулярных потенциалов, отвечающих за образование нематической фазы и является существенным для исследования критической динамики нематико-изотропного перехода. В тоже время наличие в НФОБ полярной концевой группы NO, вызывающей появление бислоевой смектической А структуры сегнетоэлектрического типа позволяет ожидать особенностей физических

свойств для данного соединения [23 ]( в акустических исследованиях эти особенности проявляются в смещении релаксационного спектра в области низких частот).

С точки зрения исследования фазового перехода нематик-смектик А, характерного для четырех исследованных соединений, весьма важным обстоятельством является различный температурный интервал существования нематической фазы ( АТМ ), определяющей близость указанного превращения к переходу второго рода.

Наконец, наличие в отдельных соединениях (6010, 608) достаточно протяженной смектической С-фазы позволяет провести детальное исследование воздействия магнитных полей на ориентационную структуру смек-тика С.

С методической точки зрения существенным обстоятельством является удобный температурный диапазон полимезоморфных превращений и более высокая стабильность по сравнению с исследованными ранее высокотемпературными соединениями (например ТББА).

Детальный анализ результатов акустических исследований полимезоморфных и структурных изменений в жидких кристаллах требует привлечения большого объема дополнительной информации. Такая возможность реализуема для исследуемых объектов, т.к. они в той или иной степени исследовались и независимыми методами (в частности НФОБ являлся объектом комплексного исследования учеными социалистических стран). Выполненные ранее измерения акустических параметров в БББА и НФОБ в мегагерцовой области частот[24,25] существенно дополняют результаты данных исследований, а также подтверждают достоверность экспериментальной информации и выводов, представленных в диссертации. Что касается объектов, акустооптических исследований - р-п-метоксибензилиден -п- бутиланилина (МББА) и его 1:1 смеси (Н-37) с ближайшим гомологом (ЭББА), то их выбор определялся в первую очередь, количеством детальной информации о физических свойствах данных соединений, позволяющей выполнить количественные оценки и сравнить их с экспериментальными результатами, представленными в данной работе. Кроме того, использование промышленно выпускаемой смеси является актуальным с точ-

ки зрения практическом реализации результатов проведенных исследований

Завершая введение я хотел бы поблагодарить сотрудников и аспирантов Проблемной лаборатории молекулярной акустики Московской Государственной Академии Приборостроения и Информатики - Баландина В.А., Бахтиярову А.М., Геворкяна Э.В., Ежова С.Г., Кашицына A.C., Киреева В.И., Ларионова А.Н., Рящикова A.C., Шмелева О .Я., Цветкова В.А., Чахояна С.Ш., без творческого сотрудничества с которыми данная работа вряд ли могла состояться. Я выражаю свою благо-

дарность Лагунову A.C., Сенкевичу A.A., [Ноздреву В.Ф], [Капустину А.Ш, Алехину Ю.С., Лукьянову А.Е., Кононенко B.C., которые оказали непосредственное влияние на выбор направления исследований, представленных в диссертации. Я также благодарен Анисимову М.А., Блинову Л.М., Беляеву В.В., Болотину Б.М., Вистиню Л.К., Гуровичу Е.В., Кацу Е.И., Кожевникову E.H., Лебедеву В.В., Рюмцеву E.H., Сонину А..С., Чигринову В.Г., за ценные замечания при обсуждении отдельных результатов исследований. Наконец, я должен поблагодарить Кравчука A.C., Соколова В.В., Алешина В.А., Лукашкина В.Г., Шустрова Б.А., Ларионову H.H., Неронова H.A., Торчинскую A.B. за помощь и поддержку организационного и технического характера

Часть результатов, изложенных в данной работе, получена при поддержке Международного Научного Фонда и Российского Фонда Фундаментальных Исследований.

Заключение диссертации по теме «Теплофизика и теоретическая теплотехника», Пасечник, Сергей Вениаминович

Основные результаты и выводы.

1. Получены температурно-частотные зависимости совокупности анизотропных акустических параметров при фазовых переходах нематик-изотропная жидкость, нематик - смектик А и смектик А - смектик С.

- 249

2. Установлено, что низкочастотные асимптотики критических аномалий в коэффициент поглощения ультразвука в области исследованных полимезоморфных превращений подчиняются простым температурным зависимостям степенного типа с показателями расходимости, близкими к единице, что соответствует выводам динамической теории фазовых переходов.

3. Обнаружены существенные различия в критическом поведении анизотропных акустических параметров, описывающих угловые зависимости скорости и коэффициента поглощения ультразвука в нематической фазе. В частности, определены параметры, нечувствительные к фазовому переходу нематик-изотропная жидкость, исследование которых дает дополнительную информацию о критической динамике фазового перехода нематик - смектик А.

4. Экспериментально подтверждены анизотропный характер динамических процессов в области фазового перехода смектик А - смектик С, при этом впервые получено соответствие критического поведения аномалий как упругих так и диссипативных параметров выводами флуктуационной теории данного перехода.

5. Выполнены первые экспериментальные исследования критической динамики в жидкокристаллической системе, образующей мультикритическую NAC точку. Установлено влияние температурных интервалов существования мезофаз и свойств симметрии смектических фаз на характер предпереходных аномалий анизотропных акустических параметров.

6. Доказана эффективность использования акустического метода для исследования изменений макроструктуры смектической С фазы, вызванных магнитными полями. Установлены существенные различия в реакции смектической С фазы на воздействие магнитных полей, изменяемых по величине и направлению; в частности, обнаружен и исследован эффект гистерезиса акустических параметров смектика С при вращении магнитного поля.

7. Впервые экспериментально установлено влияние типа полимезоморфизма и условий формирования жидкокристаллических образцов на квазистатические и динамические угловые зависимости коэффициента поглощения ультразвука в смектической С фазе при воздействии вращающегося магнитного поля.

8. Предложена модель динамического отклика С фазы на воздействие магнитного поля, учитывающая ненасыщающий характер поля и искажения реальной слоевой структуры образцов смектиков С. В рамках модели объяснены нарушения синхронности вращения поля и директора, искажения угловых зависимостей коэффициента поглощения ультразвука во вращающемся магнитном поле, а также асимметрия индукционных зависимостей данного параметра.

9. Получены первые результаты по динамическому поведению ориентационной структуры нематических жидких кристаллов в условиях комбинированного воздействия акустического, электрического и магнитного полей при вариации гидростатического давления . Доказана эффективность управления с помощью электрического и магнитного полей оптическим откликом жидкого кристалла на механические возмущения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные экспериментальные исследования продемонстрировали высокую информативность акустических методов при изучении динамики фазовых переходов и структурных превращений в жидких кристаллах. С точки зрения исследования фазовых переходов решающую роль в получении новой информации сыграло снижение нижней границы диапазона ультразвуковых колебаний (до 0.2 МГц) и детальное исследование угловых зависимостей скорости и коэффициента поглощения ультразвука. При этом появилась возможность проверить как общие выводы теории фазовых переходов, так и установить специфику, присущую полимезоморфным превращениям различного типа. Дальнейший прогресс в данном направлении по-видимому возможен при повышении точности измерения акустических параметров.

Для реализации возможностей акустического метода как средства исследования макроструктуры жидкокристаллических образцов больших линейных размеров определяющим явилось использование различных геометрий эксперимента, варьирование типа слоевой структуры смектической С фазы, предыстории формирования образца, а также направления и индукции магнитного поля. Проведенные исследования безусловно не исчерпывают возможные типы экспериментов такого рода. В частности, с учетом обнаруженного в данной работе ненасыщающего характера магнитного поля, воздействующего на ориентационную структуру смектика С, перспективным представляется проведение исследований смектической С фазы во вращающихся и пульсирующих магнитных полях различной индукции.

Наконец, есть основания считать, что полученные результаты по динамике тонких слоев нематика в условиях комбинированного воздействия ориентирующих факторов различной природы позволят расширить области практического применения жидких кристаллов. Частично это подтверждается принципиально новыми техническими решениями, в разработке которых непосредственное участие принимал и автор данной диссертации.

Список литературы диссертационного исследования доктор физико-математических наук Пасечник, Сергей Вениаминович, 1998 год

ЛИТЕРАТУРА.

I. Анисимов М.А. Критические явления в жидкостях и жидких кристаллах. -М. Наука, 1987. -245 с.

2 . Де Же В. Физические свойства жидкокристаллических веществ: Пер. с англ. -М.: Мир, 1982. -152 с.

3. Ziwocinski A., Wieczorek S. A., Stecki Y. High-resolution volumetric study of the smectic-A - to - nematic transition in 4-(n-pentyl) phenylthiol -4'-(n-octyloxy) benzoate (8 S5) and octyloxycyanobithenyl (80 CB) // Phys. Rev. -1987. -v.36A, N. 4 -p.1901-1907.

4. Sohl C.H., Miyano K., Ketterson J. В., Wong G. Viscosity and surface -tension measurements on cyanobenzylidene octyloxyaniline using propagating capillary waves: Critical behavior. //Phys. Rev. -1980. -v.22A, N. 3 -p. 1236-1265

5. Marielli M., Mercuri F., Foglietta S., Zamnut U., Scudieri F. Anisotropic heat transport in the octylcyanobiphenyl (8CB). // Phys. Rev. -1996. -v. 54E, N. 2 -p. 1604-1609

6. Лагунов A.C. Ультразвук и динамические свойства жидких кристаллов в статических и переменных магнитных полях. Дисс.... докт. физ.-мат. наук. -М., 1987.

7. Гарланд К. Ультразвуковые исследования фазовых переходов и критических точек // Сб. Физическая акустика (ред. У. Мезона). - 1971. -т.7. -с.61-173

8. Капустин А.П., Капустина О.А. Акустика жидких кристаллов. -М. Наука, 1986. -248 с.

9. Eden D., Garland C.W., Williamson R.C. Ultrasonic investigation of the nematic isotropic-phase transition in MBBA. // J. Chem. Phys. -1973. -v.58, № 5 -p.1861-1868.

10 . Anisimov M. A. Universality of the Critical Dynamics and the Nature of the Nemati-Isotropic Phase Transition // Molec. Cryst. Liquid Cryst. -1987. -V.146. -p.435-461.

II. Thiriet Y., Martinoty P. Ultrasonic study of the nematic-isotropic phase transition in PAA // J. Phys.(Fr.). -1979. -v.40. -p.789-797.

12. Рящиков A.C., Баландин В.А., Пасечник C.B. Релаксационные свойства нематической фазы октилоксибензшшдентолуидина на частотах ниже 1МГц // Журнал физ. химии. -1982. -T.LYI, №9. -с.2320-2321.

13. Гурович Е.В., Кац Е.И., Лебедев В.В. Критическая динамика при фазовом переходе смектик А-смектик С // ЖЭТФ. -1988. -т.94, вып.4. -с. 167181.

14. Anisimov М.А., Voronov V.P., Kulkov А.О., Kholmurodov F. Adiabatic calorimetry measurements in the vicinity of the nematic-smectic A-smectic С multipritica} point // J. fhys.(Fr.) -J985. -V.46. -p.2137-2143.

15. Пасечник С.В. Релаксационные свойства ориентированных жидких кристаллов в потоке: Дисс....канд. физ.-мат. наук. -М., 1980.

1 б. Чигринов В.Г., Пожидаев Е.П., Байкалов В.А., Барник М.И. Динамика электрооптического отклика сегнетоэлектрического С* жидкого кристалла. // Кристаллография -1989. -т.34, вып. 2 -с.406-412.

17. Sukumaran S., Rangunath G.S. Dynamics of kinks in smectic-C liquid crystals in periodically varying external fields. // Phys. Rev. -1997, v. 56E, N. 2 -p.1791-1803.

18. Геворкян Э.В. Магнитоакустические свойства нематических и смектических жидких кристаллов. // Применение ультраакустики к исследованию вещества: Сб. статей. -М. ВЗМИ, 1981. -вып. 31, -с.64-77.

19. Barbero J., Miraldi Е., Oldano С., Taverna Valabregea P. Freedericks transitions in crossed electric and magnetic fields // Z. Naturforsch. -1988. -V.43a. -p.547-554.

20. Stewart J.W., Faulkner T.R. Director orientation in nematic liquid crystals using crossed electric and magnetic fields // J. Phys. A. -1995. V.28, N19. -p.5643-5652.

21. Баландин B.A., Пасечник C.B., Орлов В.А. Измеритель разности давления. Патент РФ, №2008637, 1994 г.

22. Баландин В.А., Пасечник С.В., Геворкян Э.В. Способ измерения давления. Патент РФ, №2036447, 1995 г.

23. Цветков В.Н., Рюмцев В.И.. Ковшик А.П., Полушин С.Г., Ротинян Т.А. Молекулярная структура и диэлектрические свойства жидкокристаллического 4-нитрофенил-4-н-октилоксибензоата // Forschungen uber flussige kristalle, Marrtin-Luther-Universitat. Halle- Wittenberg. -1978. -p.56-63.

2 4 . Баландин В.А. Исследование релаксационных свойств смектических жидких кристаллов акустическим методом в магнитном поле: Дисс....канд. физ.-мат. наук. -ML, 1979.

25. Шмелев О.Я. Анизотропное распространение ультразвука в жидких кристаллах, имеющих фазовый переход нематик -смектик А: Дисс....канд. физ.-мат. наук. -М., 1983.

2 6. Miyano К„ Ketterson J.B. Ultrasonic study of liquid crystals // Phys. Rev. A. -1975. -v,12,N2. -p.625-634.

27 . Кац Е.Й., Лебедев B.B. Динамика жидких кристаллов . -М. Наука, 1988. -с. 144

2 8 . Kiry F., Martinoty P. Ultrasonic attenuation in CBOOA near the nematic-smectic A transition//J. Phys. (Fr.). -1978. -V.39,N9. -p.1019-1035. 29. Battacharya S., Sarma B.K., Ketterson J.B. Critical attenuation and dispersion of longitudinal ultrasound near a nematic-smectic A phase transition // Phys. Rev. B. -1981. -V.23,N5. -p.2397-2412.

30. Balandin V.A., Pasechnik S.V., Prokopjev V.I., Shmelyoff O.Ya. Ultrasound absorption anisotropy in the vicinity of smectic A-nematic transition // Liq. Cryst. -1988. -V.3,N10. -p.1319 1325.

31. Martinoty P. Relative behaviour of sound absorption and dispersion near the nematic-smectic A phase transition in TBBA and CBOOA: coment and new results //Phys. Lett. -1979. -V.40,N13. -p.291-296.

32 . Рящиков А. С. Релаксационные явления в ориентированных магнитным полем жидких кристаллах; Дисс....канд. физ.-мат. наувк. -М., 1983.

33. Eggers F., Funk Th. Ultrasonic measurements with millimeter liquid samples in 0,5-100 MHz range //Rev. Sci. Instrum. -1973. -V.44, N8. -p.969-977.

34. Кононенко B.C. Прецизионный метод измерения коэффициента поглощения ультразвука в жидкостях на частотах 0,1-20 МГц // Акуст. журнал. -1987. -т.23, вып.4. -с.688-694.

35. Прокопьев В.И., Кононенко B.C., Рящиков А.С. Устройство для прецизионных измерений акустических параметров в малом обьъеме исследуемых веществ // Тез. докл. 5-й Всесоюзной конф. "Методика и техника ультразвуковой спектроскопии". -Вильнюс: 1984.

36. А. с. 1142786 (СССР). Устройство для измерения коэффициента поглощения ультразвука / Прокопьев В.И., Кононенко B.C., Рящиков А.С.

37 . Прокопьев В.И. Низкочастотные ультразвуковые исследования жидких кристаллов во вращающемся магнитном поле: Дисс....канд. физ.-мат. наук. -М„ 1988.

38 . Ноздрев В.Ф., Федоршценко Н.В. Молекулярная акустика. -М: Высшая школа, 1974. -с.288

39. Кашицын А.С. Акустические исследования динамических процессов в ориентированных жидких кристаллах, имеющих фазовый переход смектик А-смектик С: Дисс....канд. физ.-мат. наук. -М., 1989. -с.67

40. Balandin V.A., Gurovich E.V., Kashitsin A.S., Pasechnik S.V. An ultrasonic investigation of the critical behavior of the elastic moduli near the smectic С - smectic A phase transition. // Liquid crystals. -1991. -V.9.,№4. -p.551-564.

41. Малов B.B. Пьезорезонансные датчики. M.: Энергия, 1977. -с. 126

42 . Шмелев О.Я., Прокопьев В.И. Кварцевый измеритель температуры // ПТЭ. -1985. -№5. -с.209-210.

4 3. Шмелев О.Я. Автоматическая установка для измерения акустических параметров анизотропных жидкостей//Изм. техника. -1988. -№11. -с.57-59 44. Imura Н., Okano К. Theory of anomalous ultrasonic absorption and dispersion of nematic liquid crystals just above clearing point // Chem. Phys. Lett. -1973. V.19, N3. -p.387-390.

4 5. Степанов В.И. Кинетическая теория динамических свойств нематичерких жидких кристаллов // К статистической теории термотропных

жидких кристаллов. -Свердловск. -1982. -с.39-61 (Препринт / УНЦ АН СССР, Инст. мех. сплош. сред).

46. Кожевников E.H. Статистическая теория акустической анизотропии нематического жидкого кристалла // Акуст. журнал. -1994. -т.40, №4. -с. 613618.

47 . Алексеев Н.И., Романов В.П., Ульянов C.B. Поглощение ультразвука в жидких кристаллах вблизи точки перехода изотропная жидкость - нематик. // Акуст. журнал. -1988. -т.34, № 3. -с.398-401.

48. Романов В.П., Ульянов C.B. Анизотропия скорости звука в нематической фазе жидких кристаллов. // Акуст. журнал. -1991. -т.37, № 2. -с.387-393.

49. Nagai S., Martinoty P., Candau S., Zana R. The intramolecular ultrasonic relaxation of nematic liquid crystals far below the transition temperature // Bull, of theNNRLM. -1977. V.4. -p.13 -18.

50. Самсонов B.C. Исследование магнитоакустических свойств нематических жидких кристаллов: Дисс....канд. физ.-мат. наук. -M., 1983.

51. Castro С.A., Hikata A., Elbaum С. Ultrasonic attenuation anisotropy in a nematic liquid crystal //Phys. Rev. A. -1978. -V.17,N.l. -p.353-361.

52. Пасечник C.B., Баландин В.А., Прокопьев В.И., Шмелев О.Я. Критическая динамика и акустические параметры нематика в окрестности температуры просветления // Журнал физ. химии. -,1989. -t.LXIII, №2. -с.471-475.

53. Баландин В.А., Пасечник C.B., Прокопьев В.И., Шмелев О.Я. Низкочастотные акустические параметры нематика в окрестности фазового перехода нематик - смектик А // Акуст. журнал. -1987. -t.XXXIII, вып.4. -с.583-587.

54. Пасечник C.B., Баландин В.А., Чахоян С.Ш., Кашицын A.C. Особенности критического поглощения ультразвука в жидкокристаллической бинарной системе, образующей NAC точку // Журнал физ. химии. -1994. - №2, с.333-339.

55. Кашицын A.C., Пасечник C.B., Шмелев О.Я. Анизотропия акустических параметров при полиморфных превращениях жидкого кристалла. // Вопросы физики формообразования и фазовых превращений : Сб. статей. -Калинин, 1989. -с.134-139.

56. Анисимов М.А., Воронов В.П., Гольдштейн A.C., Городецкий Е.Е., Кияченко Ю.Ф., Меркулов В.М. Универсальность критической динамики в нематических жидких кристаллах//ЖЭТФ. -1984. -т.87, вып.6. -с. 1969-1983.

57. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика, ч.1. -М. : Наука, 1976. -с.536

58 . Резцов Ю.В. Исследование влияния магнитного поля на акустическую релаксацию в нематических жидких кристаллах. Дисс.... канд. физ. мат. наук. -М., 1987.

59. Кожевников Е.Н. Релаксация углового распределения молекул нематического жидкого кристалла в звуковом поле // Акуст. журнал. -1994. -т.40, №3. -с.412-416.

60. Forster D., Lubensky Т.С., Martin Р.С., Swift J., Pershan P.S. Hydrodynamics of liquid crystals // Phys. Rev. Lett. -1971. -V.26, N17. -p. 10171019.

61. Stephen M.J., Straley J.P. Physics of liquid crystals // Rev. Mod. Phys. -

1974. -V.46. -p.617-704.

62. Шмелев О.Я., Пасечник С.В., Баландин В.А., Цветков В.А. Температурные зависимости коэффициентов Лесли бутоксибегоилиденбутил-анилина. // Журнал физ. химии . -1985.-t.LIX, №8. -с.2036-2039.

63. Хабибуллаев П.К., Геворкян Э.В., Лагунов А.С. Реология жидких кристаллов. // Ташкент, ФАН, 1992, -с.297

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

65. Balandin V.A., Pasechnik S.V., Shmelyoff O.Ya. Acoustic investigations of relaxation processes in regions of polymorphic transformations of nematics. // J. Phys. (Fr.). -1985. - t.46, №.... -p.583-588.

66. Jahnig F. Dispersion and absorption of sound in nematics // Z. Physik. -1973.-V.258.-p. 199-208.

67. Пасечник C.B., Прокопьев В.И., Шмелев О .Я., Баландин В.А. О связи диссипативных коэффициентов с анизотропными акустическими параметрами нематического жидкого кристалла. // Журнал физ. химии. -1987. -t.LXI, №1. -с. 1675-1677.

68. Резцов Ю.В. К вопросу о механизме поглощения ультразвука в нематических жидких кристаллах. // Применение ультраакустики к исследованию вещества: Сб. статей. -М.:ВЗМИ, 1975. -вып. 28. -с.66-75.

69. Белоусов А.В. Влияние магнитного поля на коэффициент поглощения ультразвука в нематической фазе п-н-гектилоксибензойной кислоты. // Применение ультраакустики к исследованию вещества. Сб. ст. -М. ВЗМИ.,

1975. -вып. 28. -с.52-57

70. Wetsel G.C., Speer R.S. et al. Effects of magnetic field on attenuation of ultrasonic waves in a nematic liquid crystal // J. Appl. Phys. -1972. - V.43, N4. -РЛ495-1497.

71. Кожевников Е.Н. Критическая анизотропия скорости и поглощения звука в нематическом жидком кристалле // Акуст. журнал. -1990. -т.36, вып.З. -с.458-462.

72. Mullen М.Е., Luthy В., Stephen M.J. Sound velocity in a nematic liquid crystal // Phys. Rev. Lett. -1972. -V.28, N13. - p.799-801.

73. Пасечник С.В., Баландин В.А. Анизотропный характер скорости ультразвука в окрестности фазового перехода нематик - смектик А // ЖЭТФ.-1982.-т.83, №1(7) - с. 195-201.

74. Litster J.D., Garland C.W., Lushington К.J., Shaetzing R. Experimental studies of liquid crystal phase transition //Molec. cryst. liquid cryst. -1981. -V.63. -p. 145-156.

75. Ocko B.M., Birgeneau R.J., Litster J.D., Neubert M.G. Critical and tricritical behaviour at the nematic to smectic A transition // Phys. Rev. Lett. -1984. -V.52, N3. -p.208-211.

76. De Vries A. Evidence for the existence of more than one type of nematic phase //Molec. Cryst. liquid cryst. -1970. -V.10, N1. -p.31-37.

77 . Де Жен П. Физика жидких кристаллов: Пер. с англ. -М. : Мир, 1977. -с.400

78. Чандрасекхар С. Жидкие кристаллы: Пер. с англ. -М: Мир, 1980. -с.344

7 9. Kiry F., Martinoty P. Ultrasonic attenuation in CBOOA near the nematic-smectic A transition//! Phys. (Fr.) -1978. V.39, N9. -p. 1019-1035.

80. Холмуродов Ф. Адиабатическая калориметрия вблизи фазовых переходов в смесях жидких кристаллов: Дисс....канд. физ.-мат. наук. -М., 1983.

81. Jahnig F. Critical damping of first and second sound at a smectic A-nematic phase transition // J. Phys. (Fr.) -1975. -V.36. -p.315-324.

82 . Lui M. Hydrodynamic theory near the nematic-smectic A transition // Phys rev. A. -1979. -V.19, N5. -p.2090-2094.

83. Bahadur B. First order phase change during isotropic - smectic A transitions ofNPOB //Phys. Lett. -1975. V.55A, N2 - p.133-134.

84 . Safina C.R. etal. High - resolution X-ray study of a smectic A - smectic С phase transition//Phys. Rev. B. -1980. -v.21,N9. -p.4149-4153. 85. Swift J., Mulvaney B.J. Sound attenuation and dispersion near the nematic-smectic A phase transition of a liquid crystal // J. Phys. (Fr.) Lett. -1979. V.40, N13. -p.287-290.

8 6. Кац Е.И., Лебедев B.B. Теория фазового перехода SA - Sc // ЖЭТФ. -1986.-т.90, вып. 1. -с. 111-123.

87. Fish M.R., Pershan P.S., Sorensen L.B. Absolute measurement of the critical behaviour of the smectic elastic constant of bilayer and monolayer smectic A liquid crystals on approaching the transition to the nematic phase // Phys. Rev. A. -1984. -V.29, N5. -p.2741-2750

8 8 . Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория упругости. -М. : Наука, 1987. -с.246 89. Martin P.S., Parodi О., Pershan P.S. Unified hydrodynamic theory for crystals, liquid crystals and normal fluids // Phys. Rev. -1972. -V.6, N6. -p.2401-2420.

90. Anderek B.S., Swift J. Propagation and attenuation of sound near the smectic A-smectic С phase transition in liquid crystals // Phys. Rev. A. -1982. -V.25, N2. -p.1084-1091.

91. Collin D., Gallani J.L., Martinoty P. Abnormal sound damping in smectic С phase of terephtal-bis-p-p'-butilaniline (TBBA): evidence of anharmonic effects // Phys. Rev. Lett. -1987. -V.58, N3. -p.254-257.

92 . Баландин В.А., Гурович E.B., Кашицын A.C., Пасечник С.В., Шмелев О.Я. Критическое поглощение первого звука в окрестности фазового перехода смектик А - смектик С. // Письма в ЖЭТФ. -1989. -т.49, вып. 1 -с.ЗО-ЗЗ.

93. Sasho S., Matsushita М., Sawada Y. Ultrasonic attenuation near the smectic A-to С transition temperature of TBBA and TBPA // Phys. Lett. -1982. V.93A, N1. -p.27-29.

94. Mazenko G.F., Ramaswamy S., Toner J. Breakdown of conventional hydrodynamics for smectic A, hexatic В and cholesteric liquid crystals // Phys. Rev. A. -1983. -V.28, N3. -p.1618-1636.

95. Swift Y., Mulvaney B.Y. Entropy of phase transition in a binary mixture of liquid crystals // Y. Chem. Phys. -1980. v. 72, N 5. -p.3430-3432.

96. Chen Y.H., Lubensky T.S. Landau-Ginsburg mean-field theory for the nematic to smectic С and nematic to smectic A transitions // Phys. Rev. -1976. -v. 14A,N3.-p. 1202-1207.

97. Huang C.C., Lien S.C. Nuture of a Nematic - Smectic A - Smectic С Multicritical point//Phys. Rev. Lett. -1981. -v. 47, N26. -p. 1917-1920.

98 . Баландин В.А., Гурович E.B., Кашицын A.C., Пасечник С.В., Табидзе А.А., Гольдберг А.К. Экспериментальное исследование критической динамики в области фазового перехода смектик А - смектик С. // ЖЭТФ. -1990.-т.98, №2, с.485-515.

99. Михайлов И.Г., Соловьев В.А., Сырников Ю.П. Основы молекулярной акустики. -М.: Наука, 1964.

100. Meiboom S., Hewitt R.C. Rotational viscosity of a smectic С liquid-crystalline phase //Phys. Rev. Lett. -1975. V.34, N18. -p.l 146-1149.

101. Meirovitch E., Luz Z. The structure of the smectic phases of terephthal-bis- (butylaniline) studied by electronspin resonanse spectroscopy // Mol. Phys. -1975. -V.30, N5. -p. 1589-1602

102. Баландин В.А., Лагунов A.C., Лукьянов A.E. Анизотропное распространение ультразвука в смектических жидких кристаллах // Применение ультраакуситки к исследованию вещества: Сб. статей. -М. : ВЗМИ, 1981. -вып. 31. -с.47-55.

103. Wise R.A., Smith D.H., Doane J.W. Nuclear magnetic resonance in the smectic С phase //Phys. Rev. A. -1973. -V.7, N4. -p. 1366-1375.

104 . Luz Z., Meiboom S. Nuclear magnetic resonance studies of smectic liquid crystals //J. Chem. Phys. -1973. -Y.59, N1,- p.275-295.

105. Luz Z., Hewit R.C., Meiboom S. Deuterium magnetic resonance study of a smectic liquid crystal //J. Chem. Phys. -1974. -V.61, N5. -p. 1758-1765.

106. Pasechnik S.V., Balandin V.A., Kashitsin A.S. Acoustic study of reorientation in a smectic С phase in a rotating magnetic field. // Liquid crystals. -1989. -V.6. -p.727-730.

107. Богданов Д.Л.,Лагунов А.С., Пасечник C.B. Акустические свойства жидких кристаллов в пространственно-переменных магнитных полях // Применение ультраакустики к исследованию вещества: Сб. статей. -М. : ВЗМИ, 1980. -вып.30. -с.52-61.

108. Богданов Д.Л., Геворкян Э.В., Лагунов А.С. Акустические свойства жидких кристаллов во вращающемся магнитном поле // Акуст. журнал. -1980. т.ХХУ1, вып. 1. -с.28-34.

109. Кац Е.И. Поведение нематических жидких кристаллов во вращающемся магнитном поле // ЖЭТФ. -1973. т.65, вып.1. -с.324-330.

110. Limmer s., Findeisen M. Proton NMR studies of smectic С phases // Cryst. Res. Technol. -1983. -V.18, N1. -p.91-96.

111. Priest R.G. Simple model for the smectic A-smectic С phase transition // J. Phys. (Fr.) -1975. V.36, N5. -p.437-440.

112. Pasechnik S.V., Larionov A.N., Balandin V.A., Nozdrev V.F. Etude acoustique de cristanx liquides nematiques sons champ magnetique pour différentes temperatures et pressions. // J. Phys. (Fr.). -1984.-t.45, № ... -p.441-449.

113. Геворкян Э.В. Акустические свойства смектических жидких кристаллов // Применение ультраакустики к исследованию вещества: Сб. статей. -М. : ВЗМИ, 1980. -вып.30. -с.89-99.

114. Pasechnik S.Y., Balandin V.A., Kashitsin A.S. Measurements of acoustical parameters at reorientation of the smectic С phase. // Molec. cryst. liquid cryst. -1990. -V.192... -p.89-93.

115. Vorflusev V.P., Chigrinov Y.G., Panarin Yu.P. Effect of PVA Orientant on Electrooptical Properties and Bistability in Ferroelectric Liquid Crystal Cell // Mol. Mater. -1993. -V.2, N4. -p.275-282.

116. Gevorkian E.V., Kashitsin A.S., Pasechnik S.V., Balandin V.A. The Hysteresis of Acoustic Parameters and the Bistability of Smectic-C Liquid Crystal in a Magnetic Field. //Europhys. Lett. -1990. -V.12, №4. -p.353-356.

117. Pasechnik S.V., Chahoian S.Sh. Magnetic field induced variations of structure of a smectic C. // 15-th International Liquid Crystal Conference, Budapest, Hungary (Abstracts). -1994. -V.l. -B -Sbp -18.

118. Wulf A. Molecular models of the smectic С phase and magnetic resonance experiments // J. Chtm. Phys. -1975. -V.63, N4. -p.l 564-1571.

119. Пасечник C.B. Структурные особенности и акустические параметры смектика С в ненасыщающем магнитном поле. //Изв. АН Сер. физ. -1996. -т.60, №4. -с.58-65.

- 25.9 -

120. Лэмб Д. Термическая релаксация в жидкостях // Сб. Физическая акустика (под ред. У. Мезона): М., Мир. -1968. -т.2, ч.А. -с.222-297.

121. Karpovich Y. Investigation of Rotational Isomers with Ultrasound // Y. Chem. Phys. -1975. -v. 22, N 10. -p. 1767-1773.

122. Блинов JIM. Электро- и магнитооптика жидких кристаллов -М; Наука, 1978.-384 с.

123. Пасечник С.В., Кашицын А.С. Акустические параметры и структура Sc фазы. // Тезисы докладов VI-ой Всесоюзной конференции « Жидкие кристаллы и их практическое использование » : -Чернигов : 1988. -ct.IV-46. 12 4 . Gasporoux Н., Prost J. Determination directe de Г anisotropic magnetique de cristaux liquides nematiques // J. Phs. (Fr.) -1971. -V.32, N11-12. -p.953-962. 125. Кулагина Т.П., Кузнецов A.H. Теория магнитогидродинамического эффекта для трехмерной модели нематического жидкого кристалла // Кристаллография. -1987. -т.23, вып.З. -с.471-476.

12 6. Пасечник С.В. Ориентационная релаксация и акустические параметры смектика «С» во вращающемся магнитном поле // Магнитная гидродинамика. -1991. -№ 3. -с.33-38.

127. Gouda F., Skarp К., Anderson G., Kressc H., Lagerwall S.T. Viscosoelastic Properties of the smectic A* and C* phases studied by a new dielectric method // Jar. Journ. Appl. Phys. -1989. -v.28, N 10. -p. 1887-1892.

128. Вистинь Jl.К. Устройства на жидких кристаллах в системах управления, связи и информации -М. изд. ЦНИИПИ, 1977, 70 с.

12 9. Пикин С.А. Структурные превращения в жидких кристаллах -М. Наука, 1981, -с.336

130. Schierel М., Fahrenschon R. Transient times and multiplex behaviour of nematic liquid crystals in the electric field // Appl. Phys. -1975. -V.7, -p.99-105.

131. Kini U.D. Magnetic and electric field induced periodic deformations in nematics //J. Phys. Sec.2. -1995. -Y.5, N12. -p.1841-1861.

132 . Kuss P.H. PVT- date on viscousity and pressure behaviuor of MBBA and EBBA //Molec. cryst. liquid cryst. -1978. - V47, N1. -p.71-83.

133. Киреев В.И., Пасечник С.В. Установка для исследования акустооптических эффектов в жидких кристаллах при изменяющихся давлениях. // Применение ультраакустики к исследованию вещества: Сб. статей. -М.ВЗМИ. -1984. -вып.36 -с.58-62.

134. Ежов С.Г., Пасечник С.В., Баландин В.А. Влияние электрического поля на временные характеристики акустооптического эффекта в нематических жидких кристаллах. // Письма в ЖТФ. - 1984.-т. 10, №7-8.-с.479-482.

135. Ежов С.Г. Ориентационная релаксация нематических жидких

кристаллов при воздействии ультразвука и электрического поля. Дисс.....

канд. физ.-мат. наук. -М,, 1984.

136. Шаповалов В.И. Упругооптические эффекты в гомеотропных слоях лиотропных нематиков: Дисс....канд. физ.-мат. наук. -М., 1989.

137. Пасечник С.В., Баландин В.А., Ежов С.Г. Акустооптика нематика в электрическом поле. // Применение ультраакустики к исследованию вещества: Сб. статей - М. ВЗМИ, 1987. -с.3-12.

138. Hays C.F. Evidence for acoustic streaming in the nematic acoustooptic effect//Molec. cryst. liquid cryst. -1980. -V.59. -p.317-328.

139. Greulich M., Heppke G., Shneider F. Bestimmung elastisher konstanten von MBBA und EBBA mit der electrishen leitfahigkeits metode // Z. Naturforsch. -1975. -Y.30A, N4. -p.515-518.

140. Пасечник С.В., Киреев В.И. Влияние температуры на кинетику акустооптического эффекта в электрическом поле. // Применение ультраакустики к исследованию вещества : Сб. статей. - М.:ВЗМИ, 1986. -с.23-27.

141. Kneppe Н., Schneider F. Rotational viscosity coefficients for mixtures of nematic liquid crystals // Molec. cryst. liquid cryst. -1983. -V.97. -p.219-229.

142. Kneppe H., Reiffenrath V., Schneider F. Anisotropy of the magnetic susceptibility of some nematic liquid crystals // Chem. Phys. Lett. -1982. -V.82, N1. -p.59-62.

143. Kireev V.I., Pasechnik S.V., Balandin V.A. Acoustooptical effect in a nematic under a combined influence of electric and magnetic fields. // Summer European liquid crystal conference, Lithuania, Vilnius (Abstracts). -1991. -V.2. -p.56.

144. Пасечник C.B., Киреев В.И., Баландин В.А. Динамика изменений ориентационной структуры нематика в электрическом поле под действием ультразвука при варьируемом давлении. // Изв. АН Сер. физ. -1996. -т.60, №4. -с.36-42.

145. Пасечник С.В., Баландин В.А., Ежов С.Г., Киреев В.И. «Способ определения физико-механических параметров жидких кристаллов.», а.с. №1325349, 1987 г.

14 6. Баландин В.А., Ежов С.Г., Киреев В.И., Пасечник С.В. «Устройство для определения интенсивности ультразвуковой волны.» а.с. №1380435, 1988 г.

147 . Орлов В.А., Баландин В.А., Пасечник С.В., Зоткин С.П., Соловьев А.Е., Васильев Н.Н. «Измеритель разности давлений.» Патент РФ, №1719944, 1991 г.

148. Баландин В.А., Пасечник С.В., Орлов В.А., Аносов Л.И. « Датчик вихревого расходомера.» Патент РФ, №2071035, 1996 г.

261

Экспериментальные методы измерения акустических параметров жидких кристаллов

Резонаторный метод

Резонаторный метод позволяет проводить измерения акустических параметров в области предельно низких частот ультразвука (^1 МГц), где альтернативные методы мало пригодны либо вследствии необходимости использования больших объемов исследуемых веществ (импульсные методы), либо ввиду недостаточной точности измерений (реверберационные методы

Открытый акустический резонатор [33 ] представляет собой интерфе-рационную камеру постоянной длины Ь, заполненную исследуемой жидкостью, помещенной между излучающим и приемным пьезопреобразователями (в простейшем случае плоскопараллельные соосно расположенные пластины). При возбуждении излучающего преобразователя синусоидальным напряжением в резонаторе возникают стоячие волны на характеристических частотах 4, что сопровождается появлением экстремумов амплитуды выходного напряжения 11п на приемном пьезопреобразователе при вариации частоты сигнала. Для идеального резонатора (толщина пьезопластин равна 0, коэффициент отражения одномерных акустических волн на границе раздела жидкость-пьезопреобразователь равен 1), выражение для выходного напряжения вблизи частоты резонанса ^ имеет вид [32 ]•'

где иптах - амплитуда напряжения на частоте резонанса п - номер резонансного пика; а - коэффициент поглощения ультразвука; ]ГЖ - основная частота колебаний столба жидкости:

Сж - скорость ультразвука в жидкости.

Для малых поглощений (аЬ«1) выражение П 1 может быть линеаризовано около частоты резонанса и поглощение ультразвука на длину волны определяется соотношением:

[38 ]).

(П1)

1 Af

* Q- fn

A n

где CL - добротность жидкости, Afn - ширина кривой на уровне 0,707.

В реальных условиях всегда существуют потери звуковой энергии, определяемые дифракцией, рассеянием, неидеальностью отражения от поверхностей пьезопреобразователей, креплением пластин и т.д. При этом скорость и коэффициент поглощения ультразвука определяется соотношениями:

с = —-f (П 4)

п

(л Л \

Tí

а = —

X

_1___1

vQ, QJ

(П5)

где <3, - измеряемая добротность резонатора; С>0 - величина, характеризующая суммарные дополнительные потери энергии в резонаторе.

В ультразвуковом резонаторе на низких частотах потери звуковой энергии, не связанные с поглощением в жидкости, определяются в основном дифракционными потерями [33 ]. С уменьшением частоты дифракционные потери возрастают пропорционально I3 [ 34 ], а коэффициент поглощения ультразвука, в отсутствии дисперсии, убывает пропорционально Ц2. Поэтому при измерениях а на низких частотах с целью уменьшения дифракционных потерь приходится увеличивать диаметры пьезопреобразователей и расстояние между ними. Так в работе [32] для исследования жидких кристаллов в частотном интервале 0,1-й МГц использован акустический резонатор с диаметром преобразователей 58 мм и расстоянием между ними 9-ь10 мм, рабочий объем камеры «30 см3. Измерения коэффициента поглощения в более малых объемах провести не удается, т.к. чрезвычайно велики дифракционные потери по отношению к поглощению в жидкости.

Эффективное снижение дифракционных потерь или, что тоже самое, увеличение собственной добротности резонатора достигается использованием пьезопреобразователей в виде выпукло-вогнутой линзы [35 ] с различными радиусами кривизны. Такая конструкция, изображенная на рис.1 обеспечивает концентрацию ультразвуковой энергии к оси симметрии системы. В работе [ 34 ] показано, что в области низких частот резонатор с выпукло-вогнутыми пьезопреобразователями имеет собственные потери в несколько раз меньше, чем резонатор с плоскими пьезопреобразователями больших размеров. Существует, однако, низкочастотное ограничение [34]:

и=и_

1+4(2

(П7)

Ггр = 1,66(гЬ)^ - % (П6)

а

где г - радиус кривизны граничной поверхности пьезопреобразователя и жидкости; Ь - эффективное значение расстояния между пьезопреобразова-телями; Сж - скорость ультразвука в исследуемой жидкости; а - радиус пьез-преобразователя.

Важным преимуществом выпукло-вогнутых пьезопреобразователей по сравнению с плоскими является существенное снижение требований к точности их установки в корпусе резонатора.

Определение добротности резонатора, заполненного исследуемой жидкостью Р, (П 5), возможно по амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) вблизи 4:

_п

где - расстройка вблизи 4; итах, и - значение при и

£=4+Д]Гп соответственно. При этом величина рассторойки А^ должна быть достаточно мала, чтобы уменьшить влияние соседних с Тп резонансных пиков на результаты измерения коэффициента поглощения. Это приводит к резкому возрастанию требований к точности измерения напряжения на частоте резонанса 4 и на частоте расстройки Так определение добротности по

амплитудно-частотной характеристике на уровне 1 дБ соответствует отсчету напряжения на уровне 0,894 итах. В отличие от АЧХ, фазово-частотная характеристика (ФЧХ) резонатора вблизи частоты резонанса имеет максимальную крутизну и определяется выражением:

tg(?[=2Q[f-^- (П 8)

п

Используя (П 8), Легко получить соотношение для добротности заполненного резонатора

' 2(4-д п

где ф,,ф2 - фаза, соответствующая частотам ^ и {2.

Изменение взаимной ориентации волнового вектора ^ и директора п приводит к изменению добротности резонатора, которое вызывает соответствующее изменение амплитуды снимаемого сигнала:

ивых = к<3ивх (П10)

- 265 -

где к определяется коэффициентом электромеханической связи пьезо-преобразователей и соотношением акустических импендансов материала пьезопреобразователей и исследуемой жидкости; Ц,х - возбуждающее напряжение; ивых - напряжение на выходе резонатора. В нематиках максимальные изменения коэффициента поглощения Да имеют место при изменениях угла между п и ^ на 90° и могут быть рассчитаны по формуле:

Атт ^

(П11)

Да л

^"^вых.Х _ |

г ^/чи.*,, ;

где - добротность резонатора при ql.fi, ивых1 и ивых ц значение напряжения на выходе резонатора соответственно при q_L.fi и с[||п ; X - длина волны ультразвука в исследуемом соединении. Выражение (П 11) справедливо при ДС^Сц-С^О, т.е.

Х = Хи=Х± (П12)

а также

ГдгУ

4С>2 —2- «I (П13)

V гп )

где Д1"п* - изменение резонансной частоты при повороте образца в магнитном поле. В реальных условиях эксперимента для нематических фаз соотношение (П 12) выполняется с точностью -0,1%, а (П 13) с точностью ~1%. Таким образом, суммарная неопределенность формулы (П 11), связанная с тем, что ДОО, не превышает 1%.

Переориентация образца НЖК в магнитном поле приводит не только к изменению добротности резонатора, но также к изменению его резонансной частоты. Последнее вызвано отличной от нуля анизотропией скорости ультразвука в нематиках. Используя выражения (П 4), (П 8) и (П 11), получим: дС_1ф2-Фо)Г 1 да ГС] С 2 V- тг )

где ф0 - значение фазы при Оценки показывают, что поправки в ДС/С за счет анизотропии коэффициента поглощения могут достигать 10%. Температурное изменение скорости ультразвука можно рассчитать из соотношения:

С, = С

с кс\

(П 15)

где Сь С0 - скорость ультразвука при Т=Т, и Т=Т0 соответственно АМ,-^, ^ - частоты п-го резонанса акустического резонатора, соответствующие температурам

Ti и T0. Значения C0 и f0 для каждого резонаторного пика определяются градуировкой по эталонным жидкостям с известной скоростью ультразвука в соответствующем частотном интервале [ 37 ].

Импульсно-фазовый метод

Импульсно-фазовый метод основан на интерференции радиоимпульса, прошедшего через измерительную камеру и когерентного ему радиоимпульса задающего генератора [38 ]. При условии x<tu<2i (tu - длительность импульса; т - время прохождения импульса через камеру) эти сигналы перекрываются во времени, а сигнал, связанный с первым отражением от поверхностей пьезопреобразователей, отделен по времени от основного. Рассматриваемый метод имеет две разновидности: первая - импульсно-фазовый метод переменного расстояния фиксированной частоты, вторая - импульсно-фазовый метод фиксированного расстояния переменной частоты. Первая разновидность метода позволяет измерять абсолютные значения скорости и коэффициента поглощения ультразвука:

С = —-f (П16)

N

^ = : (П17)

f2 20Ige-AI f2

где AI - изменение расстояния между пьезпреобразователями, на котором укладывается N длин волн ультразвука частоты f; ДА - изменение амплитуды сигнала на расстояние Д1.

Изменять фазовые соотношения между импульсом, прошедшим через измерительную камеру, и импульсом задающего генератора можно не только варьируя расстоянием между пьезопреобразователями, но и изменением частоты задающего генератора вблизи резонансной частоты, системы двух пьезопреобразователей. Эта вторая разновидность импульсного метода с учетом частотно зависимого сдвига фаз в пьезопреобразователях [ 25 ] применяется для измерения относительных изменений скорости и коэффициента поглощения ультразвука. Для расчета можно использовать соотношения, получе-ные в [25 ] :

ДС Af '

С f

(П 18)

— = ——— (П 19)

f2 8,68-d-f2

где х - время прохождения радиоимпульса через образец; Г] и Г 1 - частоты , соответствующие двум соседним минимумам суммарного сигнала; Д1уТ -относительное изменение частоты аплитудно-фазового балланса. Нелинейность фазово-частотной и амплитудно-частотной характеристик системы двух пьезопреобразователей приводит к дополнительным погрешностям в измерении величин, определяемых выражениями (П 18), (П 19). Отметим, что изменение скорости и коэффициента оглощения ультазвука, определяемых соответственно (П 18) и (П 19), может быть вызвано как ориентирующим действием магнитного поля, так и изменением температуры.

Методика проведения акустических измерений

Акустические установки, реализующие изложенные вьппе методы и отдельные электронные узлы подробно описаны в работах [25,37,39]- В данном подразделе основное влияние уделено методике проведения экспериментов по акустическим исследованиям жидких кристаллов резонаторным методом.

В области предельно низких частот измерения скорсоти и коэффициента поглощения ультразвука проводились начиная с температур, соответствующих изотропной фазе выбранных соединений и удовлетворяющих условию Т-ТЫ1>10К, где Тм - температура фазового перехода изотропная жидкость - нематик. Все измерения проведены в режиме охлаждения. Спектр резонансных частот акустического резонатора, в отсутствии дисперсии, однозначно определяет скорость ультразвука С0, входящую в выражение (П 15). Коэффициент поглощения определялся с использованием соотношения (П 5), где <3, измеряется по фазово-частотной характеристике (П 9) на спектре резонансных частот Величина С)0 в (П 5) определялась для каждой ^ из экспериментов с эталонными слабопоглощающими жидкостями. Процесс настройки на выбранную частоту резонанса ^ и вычисление аЛ2 повторялась 3-5 раз и полученные значения усреднялись. Внешнее, ориентирующее жидкий кристалл, магнитное поле создавалось постоянным магнитом (ТИП-1) с индукцией в центре между кернами В=0,29 Тл. Неоднородность магнитного поля в объеме, соответствующем объему жидкокристаллического соединения, составляла менее 5%. Измерения в нематической фазе проведены во вращающемся магнитном поле. Для расчета полной анизотропии коэффициента поглощения и скорости ультразвука использованы соответственно выражения (П 11) и (П 14). При этом частота вращения магнитного поля сов выбиралась такой, чтобы обеспечить квазистационарный режим измерения аЛ2 и ДС/С. Аппроксимация угловой зависимости коэффициента поглощения ультразвука функцией

- 233 -

Да = а(е)-а(./2) = a> cos;(0 _ ф) _ cosi(@ _ ф) + d (П 20)

позволяет получить значения коэффициентов угловой зависимости аа и Ьа. Здесь ф - угол между векторм магнитной индукции и директором. Величина ф зависит от частоты вращения магнитного поля и начальной ориентации волнового вектора. Используя (1.81), определяется соотношение у,/Лх и величина ср0 = lim 9 .

ш„->0

Ориентационные зависимости скорости и коэффициента поглощения ультразвука в смектических фазах получены в стационарных условиях (сов=0) методом последовательного охлаждения образца из нематической фазы в магнитном поле различной ориентации относительно волнового вектора (0-фо=О°, 30°, 60°, 90°). Ориентационная упорядоченность смектической С фазы исследовалась во вращающемся магнитном поле.

Особенности методики измерения акустических параметров импульсно-фазовым методом описаны в разделе 1.1.

Результаты контрольных измерений абсолютных значений акустических параметров и их анизотропии приведены в [ 37,39 ].

Установка для исследования акустооптических эффектов в жидких кристаллах при изменяющихся давлениях.

С целью проведения фундаментальных исследований акустооптических эффектов в жидких кристаллах при варьируемых параметрах состояния была разработана конструкция и создана установка, позволяющая исследовать воздействия ультразвука на оптические свойства жидкокристаллического слоя при различных давлениях и температурах, а также в условиях воздействия электрического и магнитного полей.

Установка позволяет проводить акустооптические исследования в диапазоне давлений до 6*107 Па и температур в интервале от 300 К до 373 К. Диапазон изменения величины индукции статического магнитного поля составляет 0..0.27 Тл . Установка обеспечивает возможность воздействия на слой жидкого кристалла, помещенного между стеклянными металлизированными пластинами, переменного электрического поля, величина которого может изменяться. Предусмотрена также возможность проведения акустооптических исследований при различных толщинах слоя жидкого кристалла (от 10 до 1000 мкм). Помимо этого, установка обеспечивает визуальное наблюдение в поляризованном свете исследуемого жидкокристаллического слоя.

Блок-схема установки изображена на рис. П1.

Свет лазера 1, проходя коллиматор 2, поляризатор 3, оптическую разделяющую систему 4, через отверстия в керне электромагнита 5 попадает в измерительную камеру 6, содержащую ячейку с жидким кристаллом. Пройдя слой жидкого кристалла и, отразившись от зеркальной поверхности, свет возвращается в оптическую разделяющую систему 4, где с помощью полупрозрачных стеклянных пластинок разделяется на два луча,' один из которых после анализатора 7 попадает на фотоприемник 8, а другой выходит из оптической разделяющей системы 4 для визуального наблюдения или фотографирования. С фотоприемника 8 электрический сигнал поступает на усилитель 9 и регистрирующий прибор 10 (вольтметр и самописец). Высокочастотные электрические колебания от генератора И, амплитуда которых измеряется вольтметром 12, поступают на пьезоэлектрический преобразователь, расположенный в измерительной камере 6. Вольтметр 13 служит для измерения разности потенциалов, подаваемой с генератора 14 в измерительную камеру 6 на ячейку, содержащую жидкий кристалл. Амперметр 15 предназначен для измерения силы тока, идущего от выпрямителя 16 к обмоткам

электромагнита 5. Температура, поддерживаемая терморегулятором 17 в камере 6, измеряется с помощью устройства 18. Пресс 19 служит для измерения и передачи давления к жидкому кристаллу в камере.

Схема узла измерительной камеры, содержащего ячейку с жидким кристаллом, изображена на рис. П2.

Выполненная из титана камера 1 помещена в теплоизолирующий кожух 2. Вокруг камеры расположен нагреватель 3. Давление от пресса через разделительный сильфон 4 передается к жидкому кристаллу 5 в камеру и измерительную ячейку 6. Свет лазера попадает в ячейку 6 через отверстия в кожухе 2 и уплотняющих деталях 7, проходя полупрозрачно металлизированный пьезоизлучатель 8 и акустический звукопровод 9, выполненный из плавленого кварца в виде усеченного конуса. Электрическая разность потенциалов подается на пластинки ячейки через электропровод.

Излучатель, посылающий ультразвуковую волну на ячейку в направлении оси X (см. рис.7.2), располагается в камере вне плоскости рисунка и на рис.ГО. не показан. Температура в камере измеряется при помощи хромель-копелевой термопары.

Отверстие в нижней части камеры служит для вакуумной заливки в камеру жидкого кристалла.

Несложная замена некоторых узлов камеры дает возможность оптически исследовать слой жидкого кристалла на просвет.

Установка позволяет проводить исследования стационарных и временных акустооптических характеристик жидких кристаллов, ориентированных различными факторами, в условиях изменяющихся температуры и гидростатического давления.

Рис. Й. Блок-схела экспериментальной установки для исследования акустооптических явлений в жидких кристаллах.

Рис. П2. Узел измерительной камеры высокого давления,