Воздействие фотоуправляемых поверхностей и электрических полей на диссипативные процессы и реологические свойства жидких кристаллов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Харламов Семён Сергеевич

• Харламов Семён Сергеевич
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Харламов Семён Сергеевич

Введение

Глава 1. Обзор теоретических и экспериментальных исследований влияния поверхности и электромагнитных полей на структуру и физические свойства жидких кристаллов

1.1 Классификация и структура жидкокристаллических материалов

1.2 Физические свойства жидких кристаллов

1.3 Влияние поверхности на ориентационную структуру жидких кристаллов

1.3.1 Методы создания граничной ориентации

1.3.2 Взаимодействие жидких кристаллов с микрорельефной поверхностью

1.3.3 Взаимодействие жидких кристаллов с фотопрофилированными полимерными материалами

1.4 Измерение коэффициентов сдвиговой вязкости нематических жидких кристаллов

1.4.1 Влияние потока на ориентационную структуру жидких кристаллов

1.4.2 Определение коэффициентов сдвиговой вязкости жидких кристаллов в присутствии стабилизирующих полей с использованием потока Пуазейля

1.4.3 Определение анизотропных коэффициентов сдвиговой вязкости жидких кристаллов при стабилизации ориентационной структуры поверхностями с использованием потока Пуазейля

1.4.4 Капиллярный поток жидкости в цилиндрическом капилляре

1.5 Влияние сильного электрического поля на динамику изменения ориентационной структуры нематического жидкого кристалла

1.6 Выводы по главе

Глава 2. Методический раздел

2.1 Использованные в работе жидкокристаллические материалы

2.2 Технологии создания поверхностной ориентации

2.3 Фотопрофилированная поверхность полимера PAZO

2.4 Конструкции экспериментальных ячеек. Экспериментальные установки и методики получения экспериментальных данных

2.4.1 Затухающий поток Пуазейля

2.4.2 Капиллярный поток в вертикально ориентированных каналах

2.4.3 Капиллярный поток в горизонтально ориентированном канале

2.4.4 Исследование кинко-подобных волн

Глава 3. Затухающий поток Пуазейля в реологии жидких кристаллов, контактирующих с фотоориентируемыми поверхностями, при воздействии электрического и магнитного полей

3.1 Затухающий поток Пуазейля в присутствии сильных магнитных и электрических полей

3.2 Капиллярный поток в вертикально ориентированном плоском капилляре с фоточувствительной внутренней поверхностью

3.3 Капиллярный поток в горизонтально ориентированном плоском капилляре

Заключение к третьей главе

Глава 4. Влияние поверхности с периодическим фотоиндуцируемым рельефом на реологические свойства жидкого кристалла

4.1 Растекание капель НЖК по фотопрофилированной поверхности

4.2 Капиллярный поток НЖК в горизонтально ориентированной плоской ячейке с фотопрофилированными поверхностями

Заключение к четвертой главе

Глава 5. Вызванные электрическим полем кинко-подобные возмущения в микроразмерном однородно ориентированном объеме жидкого кристалла

5.1 Экспериментально полученные результаты наблюдения движения кинко-

подобного возмущения, вызванного приложением электрического поля

5.3 Обработка экспериментальных данных

Заключение к пятой главе

Заключение

Список литературы

Приложение А

Введение

Актуальность темы исследования. Жидкие кристаллы (ЖК) относятся к конденсированным частично упорядоченным средам, которым присуща анизотропия различных физических свойств. Простейшим классом жидкокристаллических сред, являются нематические жидкие кристаллы(НЖК), отличающиеся от изотропных жидкостей наличием дальнего ориентационного порядка в преимущественном направлении длинных молекулярных осей (для термотропных ЖК) или анизометричных надмолекулярных структур, таких как цилиндрические мицеллы (для лиотропных жидких кристаллов) [1,2]. Формируемая в объеме ЖК ориентационная структура определяется ориентирующим воздействием магнитных или электрических полей, взаимодействием ориентационных и трансляционных молекулярных движений, а также взаимодействием приграничных ЖК слоев с ограничивающей поверхностью.

Одним из фундаментальных свойств, присущих НЖК, является взаимосвязь ориентационной структуры с градиентом скорости сдвигового течения, сопровождающегося диссипацией механической энергии. Эта связь обуславливает такие явления, как ориентация ЖК сдвиговым течением, существование специфических ориентационных неустойчивостей в потоках жидких кристаллов, а также возникновение вихревого течения при быстрой переориентации ЖК, вызванной включением электрического поля [3]. Наибольшее применение для описания указанных явлений нашли континуальные теории, такие как теория Лесли-Эриксена, включающая набор макроскопических параметров (пять независимых коэффициентов Лесли), определяющих диссипацию энергии в анизотропной жидкокристаллической среде и связь ориентационной структуры с полем скоростей [4]. Экспериментальное определение данных коэффициентов [5] является актуальной задачей физики жидких кристаллов, решение которой

необходимо для проверки следствий существующих и развития новых теоретических моделей, рассматривающих поведение жидкокристаллической среды в условиях, далеких от равновесия [6]. Кроме того, информация о данных параметрах представляет практическую ценность, т.к. может быть использована для расчета и оптимизации динамических характеристик различных ЖК устройств, включая дисплеи, оптофлюидные модуляторы, устройства оптоволоконной техники и жидкокристаллические сенсоры.

Одним из наиболее традиционных способов решения указанной выше задачи является измерение коэффициентов сдвиговой вязкости в течениях жидкого кристалла, с ориентационной структурой, стабилизированной сильным магнитным полем, что позволяет подавить ориентирующее действие поверхности и нарушить связь полей ориентации и скоростей [7]. В этом случае жидкий кристалл можно рассматривать как условно ньютоновскую жидкость с анизотропными коэффициентами вязкости. Альтернативным методом реализации данного приближения является использование ориентирующего действия поверхностей вместо электромагнитных полей или в комбинации с данными полями, что позволяет проводить реологические исследования в образцах относительно малых объемов (порядка 1 мл) [8,9]. Это играет решающую роль при реологических исследованиях новых ЖК материалов. В связи с этим, актуальной задачей является модификация экспериментальных методик определения анизотропных коэффициентов сдвиговой вязкости, требующих малого количества исследуемого вещества и учитывающих воздействие ориентирующих поверхностей. Выполненные в данной работе экспериментальные исследования сдвиговых капиллярных потоков ЖК, стабилизированных ориентирующими (в том числе фотоуправляемыми [10, 11]) поверхностями, направлены на расширение применения данного метода к изучению реологических свойств не только нематических, но и сегнетоэлектрических смектических жидких кристаллов, демонстрирующих более высокое быстродействие, что также определяет актуальность таких исследований.

Кроме того, в диссертации поставлена и впервые экспериментально решена задача исследования предсказанного обобщенной гидродинамической теорией нового диссипативного процесса генерации и распространения кинк-образной волны, возникающей при включении сильного электрического поля, подавляющего связь потока с полем ориентации [12]. Полученные результаты могут способствовать дальнейшему развитию динамической теории жидких кристаллов.

Степень разработанности темы исследования

Прямое определение коэффициентов сдвиговой вязкости ЖК интересует исследователей этих веществ уже более полувека [5, 7, 13]. Несмотря на большое количество различных предложенных методик, до сих пор остается нерешенной проблема создания простого и в тоже время точного метода, требующего малое количество исследуемого вещества, а также способного работать в широком диапазоне сдвиговых вязкостей. Одним из предложенных способов решения данной проблемы является использование методов, в которых стабилизация ориентационной структуры происходит за счет влияния ограничивающих ЖК поверхностей [8, 14]. Данные методы требовательны к качеству и однородности покрытий, ориентирующих ЖК, поэтому при задании граничных условий часто используются фоточувствительные материалы, не требующие механического воздействия на них. Среди множества различных фоточувствительных материалов несомненный интерес представляют фотополимеры, способные к изменению топологии поверхности под действием светового излучения. Образованные на их поверхности рельефные решети могут служить для управления как оптическими, так и реологическими свойствами ЖК [15]. На данный момент существует крайне малое количество публикаций, описывающих экспериментальное исследование взаимодействия ЖК с фотоиндуцированной рельефной поверхностью, а публикации, описывающие реологическое поведение на рельефных поверхностях, зачастую рассматривают механически созданные рельефы [16]. Другим методом контроля ориентационной структуры ЖК является использование внешних электрических или магнитных полей. Теоретические работы, описывающие

поведение директора ЖК при таком воздействии, указывают на переориентацию директора в виде монодомена, сопровождающуюся течением ЖК. Тем не менее, недавние теоретические работы указывают на возможность образования нового вида диссипации энергии в форме бегущей кинко-подобной волны переориентации директора при быстром включении сильного электрического поля, при котором поток ЖК останавливается [12]. На момент написания данной диссертационной работы отсутствовали публикации, посвященные экспериментальному подтверждению этой теории.

Цель работы: разработка физических основ методов измерения анизотропных коэффициентов сдвиговой вязкости и исследования диссипативных процессов в жидких кристаллах при воздействии фотоуправляемых поверхностей и электромагнитных полей.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих основных задач:

1. исследовать влияние электрического или магнитного полей на реологические свойства НЖК 5ЦБ в плоском капилляре микронного зазора с фотоориентированными внутренними поверхностями при затухающем потоке Пуазейля, вызванном действием перепада гидростатического давления и капиллярных сил;

2. изучить реологическое поведение нематического и смектического сегнетоэлектрического жидких кристаллов при затекании в плоские горизонтально ориентированные капилляры с заданной поверхностной ориентацией, а также при дополнительном воздействии противодавления, замедляющего поток;

3. изучить влияние фотопрофилированной поверхности полимера PAZO на граничную ориентацию и реологические свойства НЖК 5ЦБ;

4. исследовать пространственно-временные изменения ориентационной структуры НЖК 5ЦБ в плоском канале при быстром (tem < 0,1 мс) включении сильного (E ~ 1 В/мкм) электрического поля.

Научная новизна работы

1. Предложена модель проскальзывания / анти-проскальзывания центральной области потока Пуазейля относительно пристеночных слоев, контактирующих с фотоориентированной поверхностью азо-красителя SD-1. Модель учитывает анизотропию коэффициентов сдвиговой вязкости жидкого кристалла, а также воздействие электрического или магнитного полей. Данная модель позволила объяснить отклонение экспериментально полученных значений коэффициентов сдвиговой вязкости от результатов прецизионных измерений в объемных образцах НЖК 5ЦБ.

2. Выполнены первые экспериментальные исследования динамики капиллярного подъема НЖК 5ЦБ в плоских капиллярах при контакте с фоточувствительными слоями азо-красителя SD-1. Впервые получены данные о значениях статического контактного угла НЖК и коэффициентах эффективной сдвиговой вязкости для различных поверхностных ориентаций в отсутствии и при наличии электрического поля.

3. Разработан и экспериментально апробирован метод определения коэффициентов анизотропных сдвиговых вязкостей жидких кристаллов, основанный на затекании ЖК в плоский горизонтально ориентированный капилляр с заданными граничными условиями. С использованием предложенного метода был впервые определен коэффициент сдвиговой вязкости сегнетоэлектрического смектического С* жидкого кристалла СЖК-595. Модификация предложенного метода с использованием замедляющего поток противодавления позволила регулировать скорость затекания жидкого кристалла с целью стабилизации ориентационной структуры. Экспериментальная апробация указанной методики с использованием НЖК 5ЦБ подтвердила применимость этого метода к определению анизотропных коэффициентов сдвиговой вязкости в широком диапазоне изменения данного параметра с погрешностью до 10%.

4. Изучено влияние фотопрофилированной поверхности полимера PAZO на граничную ориентацию НЖК 5ЦБ и получены значения азимутальной и

полярной энергий сцепления с поверхностью рельефа. Представлены первые экспериментальные исследования реологических свойств НЖК 5ЦБ, контактирующего с фотопрофилированной поверхностью. Установлена зависимость анизотропии скорости растекания капли и значения краевого угла от глубины и периода поверхностного рельефа. Установлена сильная зависимость коэффициента эффективной сдвиговой вязкости от направления рельефа в плоском капилляре с фотопрофилированными поверхностями. 5. Впервые выполнены экспериментальные исследования процесса возбуждения и эволюции ориентационного возмущения в форме бегущей кинко-подобной волны в микроразмерном однородно ориентированном ЖК канале, вызванного быстрым (1вкл < 0,05 мс) включением сильного (Е ~ 1 В/мкм) электрического поля. Определена зависимость скорости распространения возмущения от амплитуды приложенного напряжения. С использованием предложенной двуслойной модели было установлено соответствие наблюдаемых экспериментально и предсказанных теоретически результатов.

Теоретическая и практическая значимость результатов исследования

Полученные экспериментально результаты исследования сдвиговых течений, вызванных капиллярными силами, могут быть использованы для развития теоретических представлений о взаимодействии анизотропных жидкостей с анизотропными фотоориентированными и фотопрофилированными поверхностями.

Полученное в данной диссертации экспериментальное подтверждение возможности формирования нового режима переориентации поля директора в форме бегущей кинко-подобной волны в микроразмерной ЖК-ячейке под действием сильного внешнего электрического поля создает основу для дальнейшего развития динамической теории жидкокристаллического состояния вещества.

Предложенные экспериментальные методики и выполненные исследования влияния ориентирующих поверхностей на реологические свойства жидких кристаллов создают основу для разработки вискозиметров нового типа,

предназначенных для измерения анизотропных коэффициентов сдвиговой вязкости в образцах малого объема. Практическая значимость работы подтверждается полученным патентом РФ на полезную модель «УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЯЗКОУПРУГИХ ПАРАМЕТРОВ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ РЕОЛОГИЧЕСКИМ МЕТОДОМ» RU 188620 U1 от 18.04.2019. Полученные в работе данные о взаимодействии нематического жидкого кристалла с поверхностью фотопрофилированной подложки могут быть использованы при проектировании устройств фотоники (управляемые по интенсивности и периоду фазовые дифракционные решетки).

Методология и методы исследования

Реологические свойства жидких кристаллов в сдвиговых течениях изучались с использованием методов, основанных на оптической фиксации смещения мениска ЖК под действием разницы гидростатического давления или капиллярных сил. Контроль ориентационной структуры ЖК при контакте с плоскими и рельефными поверхностями производился с использованием поляризационной оптической микроскопии. Определение энергии сцепления НЖК на поверхности фотопрофилированного рельефа производилось с использованием динамической корреляционной спектроскопии. Динамика образования и распространения кинко-подобных возмущений директора исследовалась при помощи поляризационной микроскопии с использованием высокоскоростной видеокамеры.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Стабилизация ориентационной структуры директора нематического жидкого кристалла с использованием действия ориентирующих поверхностей, а также при воздействии противодавления, замедляющего скорость капиллярного потока в канале с микроразмерным зазором, позволяет определить значения коэффициентов сдвиговой вязкости для трех геометрий Месовича с точностью до 10%.

2. Направление поверхностного директора нематического жидкого кристалла при контакте с фотопрофилированной поверхностью полимера PAZO в отсутствии потока определяется ориентацией длинных осей молекул полимера, задаваемой

в соответствии с технологией облучения. Значение коэффициентов анизотропной сдвиговой вязкости НЖК, полученные с использованием метода капиллярного потока, определяются направлением фотопрофилированного рельефа.

3. Быстрое (1вкл < 0,05 мс) приложение сильного (Е ~ 1 В/мкм) электрического поля в направлении, нормальном изначальной однородной ориентации директора НЖК, приводит к образованию кинко-подобного возмущения ориентационной структуры, распространяющегося от границы к центру канала. Экспериментально полученные результаты подтверждают адекватность теоретической модели, предсказавшей возникновение данного явления.

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 исследовании реологических свойств НЖК, контактирующего с фоточувствительными подложками, установлена слабая анизотропия статического параметра краевого угла, что соответствует явлениям, наблюдаемым на поверхности натертого полимера. Достоверность результатов исследования влияния фотопрофилированных поверхностей на структуру и реологические свойства НЖК подтверждается аналогичными результатами, полученными при исследовании процесса растекания капель по поверхности рельефа, заданного методом механической штамповки. Достоверность данных, полученных при исследовании бегущей кинко-подобной волны переориентации директора НЖК в микроразмерном однородно ориентированном ЖК канале подтверждается их соответствием оценкам теоретической модели, разработанной для описания данного явления.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Воздействие фотоуправляемых поверхностей и электрических полей на диссипативные процессы и реологические свойства жидких кристаллов»

Апробация работы

Результаты проведенных исследований были представлены на следующих конференциях:

1. European Colloid and Interface Society (ECIS), 8-13 Сентября, 2019 г., Лювен, Бельгия;

2. SPb Photonic, Optoelectronic, & Electronic Materials (SPb-POEM), 27-30 апреля, 2020 г., Санкт-Петербург, Россия;

3. Инновационные технологии в электронике и приборостроении (РНТК ФТИ ), 5-12 апреля , 2021 г., Москва, Россия;

4. 18th International Conference on Ferroelectric Liquid Crystals Polarity and Chirality in Soft Matter, 6-10 Сентября, 2021 г. Любляна, Словения;

5. Национальная научно-техническая конференция с международным участием «Перспективные материалы и технологии» («ПМТ - 2022»), 11 - 15 апреля, 2022 г. Москва, Россия;

6. 28th International Liquid Crystal Conference (ILCC2022), 24-29 июля 2022, Лиссабон, Португалия;

7. Всероссийская конференция Жидкие кристаллы и «умные» наноматериалы (IX Чистяковские чтения), 25-26 апреля 2023 г. Иваново, Россия;

8. Всероссийская конференция c международным участием Жидкие кристаллы и «умные» наноматериалы (X Чистяковские чтения к 95-летию со дня рождения проф. И.Г. Чистякова), 15-16 мая 2024 г. Иваново, Россия.

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 6 научных работах в журналах, входящих в перечень рецензируемых научных изданий Высшей аттестационной комиссии.

Личный вклад автора состоит в создании всех экспериментальных установок, использованных в работе, а также в проведении всех описанных экспериментов. Кроме того, соискатель провел обработку полученных результатов и их сравнение в существующими моделями и теориями. Автор активно участвовал в интерпретации полученных результатов. Цели и задачи, а также основные выводы были сформулированы соискателем совместно с научным руководителем.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и одного приложения. Объем диссертационной работы составляет 159 страниц машинописного текста и

включает 69 иллюстраций, 6 таблиц, список литературы из 112 наименований и одно приложение.

Глава 1. Обзор теоретических и экспериментальных исследований влияния поверхности и электромагнитных полей на структуру и физические свойства

жидких кристаллов

1.1 Классификация и структура жидкокристаллических материалов

Термин «жидкие кристаллы» обозначает класс конденсированных сред, которые обладают промежуточным состоянием между твердым кристаллом и изотропной жидкостью. Такое поведение возможно благодаря особому химическому строению и молекулярной структуре образующих вещество элементов (анизометрия молекулы и наличие жесткой химической связи). Жидкие кристаллы разделяют на термотропные (представляют из себя расплавы органических соединений, ЖК состояние существует в некотором диапазоне температуры, элементами являются сами молекулы вещества) и лиотропные (образуются при растворении органических соединений, ЖК состояние существует в некотором диапазоне концентрации, элементами являются молекулярные агрегаты - мицеллы). Жидкокристаллическая состояние характеризуется нарушением дальнего порядка в расположении центров масс молекул (или мицелл), присущего кристаллическим веществам при сохранении дальнего ориентационного порядка, определяющего преимущественное направление длинных осей молекул (или мицелл). Разным жидкокристаллическим фазам (нематическая, холестерическая и несколько типов смектической) соответствует разная степень нарушения дальнего порядка и особенностей ориентационного упорядочения. Для ряда соединений (или растворов), образующих жидкокристаллическое состояние вещества, характерно чередование фаз

(полиморфизм) при изменении температуры (для термотропных ЖК) или концентрации (для лиотропных ЖК) [1, 2, 3, 17,18].

Наиболее простым примером жидкокристаллических материалов являются нематические жидкие кристаллы (НЖК). Отличием термотропных НЖК от изотропных жидкостей является наличие дальнего ориентационного порядка. В то же время, пространственное упорядочение центров масс отдельных молекул, как и в изотропных жидкостях, имеет место лишь на расстояниях, сравнимых с молекулярными размерами (ближний трансляционный порядок), что обеспечивает высокую текучесть вещества (рисунок 1.1, а). Математическое описание ориентационной упорядоченности НЖК основано на использовании единичного вектора - директора п, совпадающего с преимущественным направлением длинных молекулярных осей, и скалярного параметра порядка Б, описывающее -среднее по объему угловое отклонение (0) индивидуальных молекул от этого направления соотношением:

1

5 = -<3^2е-1>. (1.1)

2

Случаю идеальной соосности (0 = 0 или п, а также п/2) соответствуют значения Б = 1 и -1/2 соответственно, а для полного беспорядка (изотропная жидкая фаза) Б = 0. Для НЖК параметр Б может в общем случае принимать любое значение в диапазоне от -1/2 до 1, однако для большинства известных нематиков, молекулы которых имеют форму стержня, параметр порядка положителен. Анизотропия физических свойств жидких кристаллов обусловлена именно наличием ориентационного порядка.

Холестерическая фаза имеет квазинематический ориентационный порядок, однако пространственное изменение направления директора описывается в виде спиральной структуры с шагом спирали Р0 (рисунок 1.1, б). Величина шага спирали определяется молекулярным строением вещества и может зависеть от термодинамических параметров (температуры и давления).

Смектические фазы (за исключением смектика-Э) имеют слоистую структуру с преимущественной локализацией центров масс молекул в

эквидистантных слоях и отсутствием дальнего трансляционного порядка в пределах слоя. Толщина слоя примерно равна длине молекулы. При этом, в слоях смектической-A фазы (рисунок 1.1, в) директор п ориентирован нормально к плоскости слоя. Перемещение молекул относительно свободно внутри слоя, но затруднено в направлении нормали к слою.

(а)

(б)

(в)

(г)

(д)

(е)

Рисунок 1.1 - Схематическое изображения структур ЖК фаз: (а) нематическая, (б) холестерическая, (в) смектическая-А, (г) смектическая-В, (д) смектическая-С, (е) смектическая-С*. [18]

Смектическая-Б фаза (рисунок 1.1, г) имеет аналогичное упорядочение, однако центры масс молекул в пределах слоя образуют гексагональную

кристаллическую решетку. Смектическая-С фаза (рисунок 1.1, д) имеет аналогичную смектической-А фазе упорядоченность центров масс, однако директор п отклонен от нормали на заданный угол ф. При этом директор может относительно свободно перемещаться по конической поверхности с углом раствора, равным 2ф. Смектическая-С* фаза (рисунок 1.1, е) характеризуется аналогичной смектику-С упорядоченностью, но внутри каждого последующего слоя директор п имеет отклонение на заданный азимутальный угол, что приводит к образованию слоистой закрученной структуры с осью спирали, ориентированной нормально к поверхности слоя [1, 3, 6, 17, 18].

1.2 Физические свойства жидких кристаллов

Вследствие наличия определенного упорядочения в ориентации молекул и их расположении, жидкие кристаллы обладают анизотропией различных физических свойств (механических, электрических, магнитных, оптических). Анизометрия молекул, а также ориентационная упорядоченность определяют анизотропию таких свойств ЖК материала, как диэлектрическая проницаемость (Ае), магнитная восприимчивость (Ах), показатель преломления (Ап), электропроводность (А а). Данные величины определяются как разница между значением параметра вдоль направления директора и перпендикулярно ему (например, Ае= ец- е±). Во всех известных НЖК Ап > 0 в связи с анизотропией электрической поляризуемости молекул, что приводит к явлению двулучепреломления, т.е. образованию обыкновенной (п0) и необыкновенной (пе) волн. Анизотропия электропроводности может быть как положительной (нематические ЖК), так и отрицательной (например, в некоторых смектиках-А). Анизотропия магнитной восприимчивости может принимать как положительные, так и отрицательные значения, что

определяется диамагнитными и парамагнитными вкладами в восприимчивость. Анизотропия диэлектрической проницаемости может принимать как положительные, так и отрицательные значения. Это зависит от соотношения между анизотропией поляризуемости молекулы и величиной постоянного дипольного момента, а также от угла в между дипольным моментом и длинной осью молекулы (рисунок 1.2, а). Положительные значения Ав наблюдаются в случае продольной ориентации дипольного момента (в ^ 0°), а отрицательные в случае большого значения угла в (в ^ 90°). На рисунке 1.2 (б, в) представлена схема, иллюстрирующая поведение ансамбля молекул с положительной и отрицательной анизотропией диэлектрической проницаемости в присутствии электрического поля [1, 3, 6, 17-19].

(а)

"Я/

(б)

(в)

(г)

Рисунок 1.2 - (а) Определение угла в между молекулярным дипольным моментом и длинной осью молекулы. (б) Связь анизотропии физических свойств и строения молекулы. (в) Поведение молекулы с Ае> 0 во внешнем электрическом поле. (г) Тоже для молекулы с Ае< 0. [17]

В основе работы большинства устройств, использующих жидкие кристаллы, лежит эффект переориентации директора ЖК под действием внешнего электрического поля, что приводит к изменению свойств среды (например, двулучепреломления) [20]. Динамика данного процесса зависит от вязкоупругих свойств материала и ориентации директора относительно приложенного поля.

Другим немаловажным свойством жидкокристаллических фаз является наличие анизотропии механических свойств, таких как упругость и вязкость [3, 6, 17]. Аналогично изотропным жидкостям, НЖК не имеют сдвиговой упругости, однако имеют ориентационную упругость, например при деформации изгиба или скручивания (рисунок 1.3). В отличие от твердых кристаллов, соответствующие модули крайне малы и имеют значения порядка 10-11 ... 10-12 Н. Наличие ориентационной упругости определяет электрооптические характеристики жидких кристаллов как при включении внешнего поля, так и при его отключении и последующем возвращении к исходному равновесному положению. В других ЖК фазах (например, смектических) вместе с ориентационной появляются и характерные для твердых кристаллов типы упругости. Численные значения соответствующих модулей изменяются почти от нуля до значений, сопоставимых с наблюдаемыми в трехмерных кристаллах.

Рисунок 1.3 - Иллюстрация деформаций поперечного (Б), продольного (В) изгибов, а также деформация кручения (Т) в нематической жидком кристалле и соответствующие данным деформациям модули упругости Кн. [17]

К22

При искажении внешними полями заданной начальными условиями ориентационной упорядоченности возникает увеличение свободной энергии. Для ее минимизации директор ЖК вынужден переориентироваться в соответствии с

ориентирующим действием поля. Данное условие составляет основу феноменологической теории упругости, используемой для определения ориентации директора ЖК в объеме. Для описания такого поведения жидкого кристалла была предложена континуальная теория, в соответствии с которой, плотность упругой энергии, описывающая поведение директора в пространстве, может быть записана как [6]: 1

Гешзь = ~ [Киф • п)2 + К22(П^Х п)2 + к33(пхух п)2

2 (12)

- ( К22 + К24)Ч • (пч •п + пхчхп)] Данное выражение Франка-Озеена может быть применимо для рассмотрения практически всех электро- магнитооптических явлений в НЖК. Модуль упругости К24 соответствует т.н. седловидному изгибу. Данный модуль играет важную роль при рассмотрении двумерных и трехмерных структур (например, капель нематика в изотропной жидкости). При описании объемного директора обычно пренебрегают слагаемым, который содержит К24.

Говоря о вязкостных свойствах жидких кристаллов, следует отметить, что в отличие от изотропных жидкостей, необходимо учитывать не только скорость переноса массы вещества, но и скорость вращения директора. Описание реологических свойств нематических жидких кристаллов основывается на теоретическом подходе Лесли-Эриксена, в котором каждая из девяти компонент тензора вязкого напряжения состоит из шести членов и записывается как [6]:

* „ = а1п1п]пкп1Лы + а^ + ^щЩ + а^ + ^^ ^^

+ авЩпрлр]

с индексами ¡, у = х, у, 2, тензором градиентов скорости Лу, скоростями вращения N компонент директора и шестью коэффициентами вязкости Лесли а. Было показано, что четыре из них связаны как а6 - а5 = а2 + а3 в соответствии с соотношением Пароди.

Определение коэффициентов Лесли является актуальной задачей физики жидких кристаллов, т.к. данная информация крайне важна для расчета времен включения/выключения электрооптических устройств на основе ЖК, например

ЖК дисплеев. Существуют разнообразные методики, позволяющие определить отдельные комбинации и полный набор коэффициентов Лесли. Примером одной из наиболее используемых методик является измерение анизотропных коэффициентов сдвиговой вязкости в ЖК, ориентированных сильными магнитными полями. Один из таких экспериментов - наблюдение за течением простого сдвига при реализации трех принципиальных геометрий, описывающих ориентацию директора ЖК относительно направления потока и градиента скорости потока в сдвиговом течении (рисунок 1.4) [5, 13].

(а) (б)

Рисунок 1.4 - (а) Эксперимент Месовича. Верхняя пластина колеблется вдоль направления х, и измеряется затухание колебаний. Директор фиксирован вдоль направления координатных осей г (коэффициент вязкости /з), х (коэффициент вязкости /2) или у (коэффициент вязкости /1). (б) Эксперимент Гевиллера. Плоский капилляр помещен в магнитное поле. Из-за соотношения сторон а << Ь градиент скорости имеет только компоненту дгг /дх. Магнитное поле всегда направлено вдоль у, а ячейка с ЖК может вращаться вокруг оси ъ.

Подобного рода эксперимент первым провел Месович, используя сильное магнитное поле для подавления ориентирующего ограничивающих поверхностей и действия потока, что позволило рассмотреть НЖК как условно Ньютоновскую жидкость с анизотропной вязкостью, зависящей от задаваемой полем ориентации директора относительно скорости потока и градиента скорости. Определенные из

эксперимента коэффициенты сдвиговой вязкости следующим образом связаны с коэффициентами Лесли [3, 6]:

1

/1 = 2^-а2 + «4 + «5), (14) 1

Ъ = 2(аз + «4 + аб)> (15)

(16)

а4

У

Другим способом определения показанных выше коэффициентов является измерение объема ЖК, перетекшего через плоский капилляр, помещенный в магнитное поле, при воздействии заданного градиента давления (рисунок 1.4, б). Такой эксперимент, предложенный Гевиллером, позволяет определить не только коэффициенты сдвиговой вязкости и 43, но и коэффициент 412, который

связан с коэффициентами Лесли как:

Ч12 = «1/2 (1.7)

и определяется при повороте одной из стенок капилляра под углом 45° к магнитному полю.

Если создать интенсивный поток (Куэттовский или Пуазейлевский) изначально ориентированного стенками жидкого кристалла (директор ориентирован по нормали к поверхности, стабилизирующее магнитное поле отсутствует), то произойдет отклонение угла директора в, которое с увеличением градиента скорости будет стремиться к насыщению в^ в0 (рисунок 1.5), причем угол насыщения связан с коэффициентами Лесли как:

у2 («5 + «бУ

где у1 - коэффициент вращательной вязкости, определяющий релаксацию директора и в большей степени быстродействие ЖК устройств, а у2 - коэффициент кручения (связан с коэффициентами сдвиговой вязкости как у2 = 41 - Ч2), характеризует вклад в крутящий момент и часто отражает связь между ориентацией директора и сдвиговым потоком.

^2в0 = -—= ^-2-Ц, (1.8)

(а) (б)

Рисунок 1.5 - Куэттово (а) и Пуазейлево (б) течение нематического ЖК в тонких плоских каналах. Штриховые линии соответствуют распределению скорости, а сплошные - профилю директора при высоких значениях градиента скорости течения. Толщина недеформируемых пристеночных слоев показана как е.

Выражение (1.8) можно переписать в соответствии с соотношением Пароди

как:

о а3

Ц2 во= ~> (1.9)

Для большинства изученных ЖК угол ориентации потоком мал (несколько градусов), что делает такие расчеты ненадежными. В связи с этим, угол ориентации потоком обычно определяют с использованием оптических методов.

Другим способом определения коэффициента вращательной вязкости является исследование релаксации директора ЖК при деформации кручения, описываемой модулем К22. Для наблюдения такой деформации плоскую ячейку с изначально заданной границами объемной ориентацией помещают в магнитное поле, что вызывает переориентацию директора (рисунок 1.6). При выключении поля директор стремится вернуться в равновесное состояние, и по характерному времени этого процесса при известных значениях зазора ячейки и модуля упругости К22 можно определить вращательную вязкость в соответствии с:

-йг (■•■»

Рисунок 1.6 - Деформация (кручения) директора с использованием магнитного поля для нахождения коэффициента вязкости у1. Штриховая линия показывает распределение угла отклонения директора по толщине слоя.

Для рассматриваемой деформации кручения временные изменения ориентации не приводят к возникновению обратных потоков, что имеет место при деформациях продольного и поперечных изгибов, вносящих существенный вклад в эффективное значение коэффициента вращательной вязкости.

Таким образом, проведение указанных выше экспериментов или определение соответствующих коэффициентов вязкости другими методами, а также получение информации о угле отклонения директора во время сильного потока, позволяет определить все шесть коэффициентов Лесли. Тем не менее, комплекс подобных измерений достаточно трудоемкий и требует использования большого количества ЖК материала. В связи с этим, полные наборы коэффициентов Лесли известны лишь для весьма ограниченного числа жидких кристаллов [17].

1.3 Влияние поверхности на ориентационную структуру жидких кристаллов

Поверхности, контактирующие с жидким кристаллом, играют решающую роль в технических приложениях, поскольку ЖК (за исключением полимерных)

всегда ограничены твердыми стенками. Изучение взаимодействия жидких кристаллов с поверхностью твердого тела является одной из важнейших задач физики этого класса конденсированных сред и имеет большое значение для разработки ЖК устройств. В результате указанного выше взаимодействия наблюдается ряд физических явлений, которые можно поделить на неспецифические (присущи как изотропным, так и анизотропным жидкостям) и специфические (возникают в связи с наличием ориентационного порядка в анизотропной жидкости).

К явлениям первого типа относится, например, смачивание твердой поверхности. Если рассмотреть каплю жидкости на твердой подложке, то окажется, что в контакте находятся три фазы - жидкая (1), газообразная (2) и твердая (3). В любой точке контактной линии выполняется условие нулевой суммы векторов соответствующих межфазных поверхностных натяжений для каждой пары контактирующих фаз:

0124 а2з + 013 = 0. (1.11)

Если подложка не деформируема, как на рисунке 1.7 (а), то выражение (1.11) принимает следующий вид (закон Юнга):

СГ^СО« = 02з - 01з, (1.12)

откуда определяется равновесный краевой угол ао. На рисунке 1.7 (б - г) схематически показаны три ситуации, наблюдаемые при контакте жидкости и твердого тела. Интересной является динамика полного смачивания: перед основной массой капли с заметно большей скоростью движется пленка молекулярной толщины (т.н. прекурсорная пленка), затем по этой пленке ползет край основной массы капли, таким образом образуется однородный слой жидкости на поверхности. Данное явление наблюдалось как в изотропной жидкости, так и в нематическом ЖК.

Поверхностное натяжение является проявлением сил межмолекулярного взаимодействия молекул жидкости с поверхностью. Величина этого параметра часто определяет граничную ориентацию директора ЖК. Несмотря на достаточно высокую важность качественного определения данного параметра, в настоящее

время поверхностное натяжение изучено хуже, чем другие параметры. Опубликованные экспериментальные данные разных авторов, описывающие одно и то же вещество, зачастую противоречивы. Это объясняется не только степенью очистки используемых веществ, но и различием используемых методик. Тем не менее, для большого количества совершенно разных ЖК данный параметр имеет схожие значения (порядка 0,02 - 0,04 Н/м), и малую зависимость от температуры [18].

(а)

(в)

(б)

(г)

Рисунок 1.7 - Поверхностное натяжение в трехфазной системе. (а) Иллюстрация закона Юнга. Явление несмачивания (б), частичного смачивания (в) и полного смачивания (г).

Наиболее исследованным примером специфического взаимодействия ЖК и твердой поверхности является ориентационная упорядоченность слоя жидкого кристалла микронной толщины, возникающая за счет взаимодействия с твердой поверхностью, обработанной специфическим образом [21-23]. При таком методе задания ориентации отсутствует необходимость использования магнитных или электрических полей для стабилизации структуры, однако требуется обеспечить зазор не более 200 мкм (обычно до 100 мкм) для устранения появления многочисленных дефектов ориентационной структуры. Изменение электрическими полями начальной ориентации, заданной граничными условиями, и связанные с этим изменения оптических характеристик ЖК среды лежат в основе функционирования ЖК дисплеев и других средств фотоники.

Первичным молекулярным процессом, обеспечивающим ориентационное сцепление, является адсорбция молекул жидкого кристалла предварительно обработанной поверхностью твердого тела, в результате которой образуется слой адсорбированных молекул с преимущественной ориентацией длинных молекулярных осей, описываемой в терминах легкой оси (ne). Взаимодействие данного слоя с молекулами ЖК, находящимися в поверхностных слоях, приводит к их ориентационному упорядочению. Усредненное по толщине приповерхностного слоя направление длинных молекулярных осей описывается в терминах поверхностного директора (ns). Вне данных слоев ориентация жидкого кристалла описывается объемным директором (пь), зависящем от пространственных координат. При отсутствии внешних факторов (например, электрических или магнитных полей), воздействующих на ориентационную структуру ЖК, и наличии симметричных граничных условий (параллельное направление легких осей на противоположных ограничивающих поверхностях), формируется монодоменный образец жидкого кристалла с единым направлением трех указанных выше векторов [3].

Расчет технических характеристик жидкокристаллических устройств включает учет силы ориентационного сцепления на основе потенциала поверхностной энергии от угла отклонения поверхностного директора от направления легкой оси. Ориентация молекул на поверхности описывается средними значениями полярного (во5) и азимутального (фо5) углов, которые задают положение поверхностного директора (n0s) (рисунок 1.8, а). В равновесном состоянии ориентация поверхностного директора совпадает с легкой осью. В зависимости от значений полярного угла, различают гомеотропную (во = 0°), планарную (во = 90°) и наклонную ( 0° < во < 90°, рисунок 1.8, б) граничные ориентации директора. В свою очередь, планарная ориентация может быть однородной (фо = const), вырожденной (фо принимает равновероятно значения в диапазоне от 0° до 360°) и мультистабильной (фо принимает два и более значений).

(а) (б)

Рисунок 1.8 - (а) Равновесное направление поверхностного директора (по11), определяемое полярным (во1) и азимутальным (фо1) углами. (б) Наклонная ориентация поверхностного директора с углом преднаклона а [3].

Свободная энергия на единицу площади нематической фазы F 1 (в1, ф1) минимальна, когда директор направлен вдоль легкой оси (в1 = во1, ф1 = фоО, ее можно записать как:

Р5 = Р51зо+Р5а (1.13)

, два слагаемых составляют изотропную и анизотропную части, где изотропная (поверхностное натяжение) имеет порядок 0,1 Дж*м-2, а анизотропная (энергия, необходимая для отклонения директора от направления легкой оси) имеет значения в диапазоне 10-8 ... 10-3 Дж*м-2. Анизотропную часть энергии также называют энергией сцепления.

В настоящее время предложено несколько моделей поверхностной энергии, наиболее известной из которых является потенциал Рапини-Популара [24]:

1

^ = Р?0+-У\Г8т2дф, (1.14)

2

где 8(ф = ф'1 - фо - угол отклонения директора от легкой оси, а Ж - энергия сцепления.

Если изменяются оба угла, то вводят две функции Рапини для анизотропной составляющей свободной энергии - полярную и азимутальную, соответственно:

1

Рав = -Шрзт2(в5- в), (1.15)

1

Рф = ^а51п2(ф!!- ф*). (1.16)

Следует отметить, что данный вид функции анизотропной составляющей свободной энергии хорошо описывает только малые углы отклонения директора ЖК. На практике зачастую используют модификации функции Рапини-Популара, о некоторых из которых пойдёт речь далее.

1.3.1 Методы создания граничной ориентации

Метод натирания (метод Шатлена [25]) используется для создания планарной однородной ориентации молекул ЖК. При реализации этого метода стеклянную подложку, на которую методом центрифугирования нанесен слой полиимида (или другого полимера, например поливинилового спирта) толщиной 10-30 нм, натирают с использованием специальной машины с щетками, вращающимися с заданными скоростью и давлением. В лабораторных экспериментах стекла возможно натирать вручную с использованием чистой ткани. Такая обработка создает нанорельеф с периодом « 1 мкм на поверхности, и палочкообразные молекулы ЖК ориентируются вдоль канавок, задавая легкую ось директора (рисунок 1.9, а). Натирание поливинилового спирта приводит к укладыванию полимерных цепочек в направлении натирания, а параллельность цепочек поверхности стекла обеспечивается из-за адсорбции ПВС. Тем не менее, при контакте с натертым ПВС наблюдается наклон молекул ЖК (полярный угол 00 « 5°), связанный с неоднородностью в расположении петель макромолекул, ориентированных натиранием (рисунок 1.9, б, в) [26].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Харламов Семён Сергеевич, 2024 год

Список литературы

1. де Жен П. Физика жидких кристаллов / де Жен П. (перевод с английского А.А. Веденцова под редакцией А.С. Сонина). - МИР: Москва, 1977. - 400 с.

2. Усольцева Н.В. Жидкие кристаллы: Лиотропный мезоморфизм. Учебное пособие. - Иваново: Иван. гос. ун-т, 2011. - 316 с.

3. 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 с.

4. Leslie F.M. Some constitutive equations for liquid crystals // Arch. Rational Mech. Anal. 1968. №28. C. 265-283.

5. Miesowicz M. The three coefficients of viscosity of anisotropic liquids // Nature. 1946. №158. C. 27-27.

6. Stewart I.W. The Static and Dynamic Continuum Theory of Liquid Crustals: A Mathematical Introduction. - Tailor and Francis : London. 2004. - 351 с.

7. Kneppe H. & Shneider F. Determination of the viscosity coefficients of the liquid crystal MBBA // Mol. Cryst. Liq. Cryst. 1981. №65. C. 23-37.

8. Pasechnik S.V. Anisotropic shear viscosity in nematic liquid crystals: new optical measurement method / Pasechnik S.V., Chigrinov V.G., Shmeliova D.V., Tsvetkov V.A., Voronov A.N. // Liquid Crystals. 2004. №4(31). С. 585-592.

9. Пасечник С.В. метод затухающего потока в реологии полимерных пористых пленок, заполненных жидкими кристаллами / Пасечник С.В., Шмелева Д.В., Торчинская А.В., Семина О.А., Дюкин А.А. // Российский Технологический Журнал. 2017. №5(5). С. 25-39.

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

11. Kim M. H. Alignment control of liquid crystals on surface relief gratings / Kim M.H., Kim J.D., Fukuda T., Matsuda H. // Liquid Crystals. 2000. №27(12). C. 1633-1640.

12. Захаров А.В., Пасченик С.В. Формирование режима ударного давления в форме бегущей волны в нематических твистовых ячейках // Физика твердого тела. 2020. №62(2). С. 307-315.

13. Gahwiller Ch. Direct Determination of the Five Independent Viscosity Coefficients of Nematic Liquid Crystals // Molecular Crystals and Liquid Crystals. 1973. №20(3-4). С. 301-318.

14. Pasechnik S. V. Photo Controlled Surfaces in Rheology of Liquid Crystals / Pasechnik S.V., Semina O.A., Shmeliova D.V., Dubtsov A.V., Chigrinov V.G., Sun J.// Molecular Crystals and Liquid Crystals. 2015. №611(1). C. 81-93.

15. Zhao D. Controllable alignment of liquid crystals based on the surface relief gratings from a photocross-linkable organic monomer / Zhao D., Wang Q., Guo L., Yang H. // Liquid Crystals. 2014. №41(11). С. 1510-1515.

16. Shmeliova D. V. Anisotropic Spreading of Liquid Crystals and Isotropic Fluids on Anisometric Surface of DVD Discs / Shmeliova D.V., Tsvetkov V.A., Pasechnik S.V., Kozenkov V.M., Dorozhkina G.N., Angelutz A.A., Lezhnev A.V. // Molecular Crystals and Liquid Crystals. 2008. №495(1). С. 212/[564]-220/[572].

17. Блинов Л.М. Жидкие кристаллы: Структура и свойства. - Москва: Книжный дом "ЛИБРОКОМ", 2013. - 480 с.

18. Томилин М.Г., Пестов С.М. Свойства жидкокристаллических материалов. -СПБ.: Политехника, 2005. - 296 с.

19. Гребенкин М.Ф., Иващенко А.В. Жидкокристаллические материалы. - Москва: Химия, 1989. - 288 с.

20. Chigrinov V. G. Liquid crystal photonics. - New York: Nova Science Pub. Inc., 2014. - 165 c.

21. Томилин М.Г. Взаимодействие жидких кристаллов с поверхностью. - СПб: Политехника, 2001. - 325 с.

22. Rasing Th., Musevic I. Surface and Interfaces of Liquid Crystals. - Springer-Verlag: Berlin, 2004. - 297 с.

23. Takatoh K. Alignment Technology and Applications of Liquid Crystal Devices / Takatoh K., Sakamoto M., Hasegawa R., Koden M., Itoh N., Hasegawa M. - Tailor and Francis : London, 2005. - 265 c.

24. Rapini А. Papoular М. Distorsion d'une lamelle nematique sous champ magnetique conditions d'ancrage aux parois // J. de physique, Colloq С4. 1969. №30. С. 54-56.

25. Chatelain Р. Sur l'orinetation des cristaux liquides par les surfaces frottees // C.R. Acad. Sci. 1941. №213 C. 875-876.

26. Невская Г.Е. Достижения в ориентации жидких кристаллов / Невская Г.Е., Томилин М.Г., Чигриниов В.Г. // Жидкие кристаллы и их практическое использование. 2009. №1(27). С. 5-23.

27. Janning J. L. Thin film surface orientation for liquid crystals // Applied Physics Letters. 1972. №21(4). С. 173-174.

28. Hiroshima K., Mochizuki M. Influence of SiO Film-Thickness on Liquid Crystal Orientation // Jpn. J. Appl. Phys. 1980. №19(3). C. 567 - 568.

29. Блинов Л.М. Физические свойства и применение лэнгмюровских моно- и мультимолекулярных структур // Успехи химии. 1983. №52(8). С. 1263 - 1300.

30. Gwag J.S. Surface nematic bistability at nanoimprinted topography / Gwag J.S., Lim J.-H., Yoneya M., Yokoyama H. // Applied Physics Letters. 2008. №92. С. 1531103.

31. Ichimura K. Reversible alignment change of liquid crystals induced by photochromic molecular films, 2a) Reversible alignment change of a nematic liquid crystal induced by pendent azobenzene groups-containing polymer thin films / Ichimura K., Suzuki Y., Seki T., Kawanishi Y., Aoki K. // Makromol. Chem. Rapid Commun., 1989. №10(1). C. 5-9.

32. Aoki K. Regulation of Alignment of Cyanobiphenyl Liquid Crystals by Azobenzene Molecular Films / Aoki K., Tamaki T., Seki T., Kawanishi Y., Ichimura K. // Langmuir. 1992. №8(3). С. 1014-1017.

33. Shibaev V. P. Polymers as Electrooptical and Photooptical Active Media. / Shibaev V. P., Kostromin S. A., Ivanov S. A. - Berlin : Springer-Verlag, 1996. - 228 с.

34. Chigrinov V. G. New developments in photo-aligning and photo-patterning technologies: physics and applications / Chigrinov V. G., Kozenkov V. M., Kwok H. S. (глава в книге Optical Applications of Liquid Crystals). - CRC Press. Tailor and Francis : London, 2003. - 284 с.

35. Schadt M. Surface-Induced Parallel Alignment of Liquid Crystals by Linearly Polymerized Photopolymers / Schadt M., Schmitt K., Kozenkov V., Chigrinov V. // Jpn. J. Appl. Phys. 1992. №31. С. 2155 - 2164.

36. O'Neil M., Kelly S. M. Photoinduced surface alignment for liquid crystal displays // J. Phys. D. 2000. №33. С. R67-R84.

37. Nishikawa M. Mechanism of unidirectional liquid-crystal alignment on polyimides with linearly polarized ultraviolet light exposure / Nishikawa M., Taheri B., West J. L. // Appl. Phys. Lett. 1998. №72. C. 2403-2405.

38. Uchida T., Seki H. Surface alignment of liquid crystals / (глава в книге Liquid Crystal Applications and Uses). - World Scientific: Singapore, 1992. - 424 с. (С. 163).

39. Berreman D.W. Solid Surface Shape and the Alignment of an Adjacent Nematic Liquid Crystal // Phys. Rev. Lett. 1972. №28(26). С. 1683 - 1686.

40. Berreman D.W. Alignment of Liquid Crystals by Grooved Surfaces // Mol. Cryst. and Liq. Cryst. 1973. №23. C. 215-231.

41. Faetti S. Azimuthal anchoring energy of a nematic liquid crystal at a grooved interface // Phys. Rev. A. 1987. №36(1). С. 408 - 410.

42. Fukuda J. Surface-Groove-Induced Azimuthal Anchoring of a Nematic Liquid Crystal: Berreman's Model Reexamined / Fukuda J., Yoneya M., Yokoyama H. // Phys. Rev. Lett. 2007. №98. C. 187803-4.

43. Fukuda J. Erratum: Surface-Groove-Induced Azimuthal Anchoring of a Nematic Liquid Crystal: Berreman's Model Reexamined / Fukuda J., Yoneya M., Yokoyama H. // Phys. Rev. Lett. 2007. №99. C. 139902-2.

44. Fukuda J. Theory of anchoring on a two-dimensionally grooved surface / Fukuda J., Gwag J.S., Yoneya M., Yokoyama H. // Phys. Rev. E. 2008. №77. C. 011702-16.

45. Gwag J.S. Higher-order surface free energy in azimuthal nematic anchoring on nanopatterned grooves / Gwag J.S., Kwon J.H., Oh-e M., Niitsuma J., Yoneya M., Yokoyama H. // App. Phys. Lett. 2009. №95. C. 103101-3.

46. Choi Y. Determination of surface nematic liquid crystal anchoring strength using nano-scale surface grooves / Choi Y., Yokoyama H., Gwag J.S. // Optics Express. 2013 №21(10), C. 12135-12144.

47. Gibbons W.M. Surface-mediated alignment of nematic liquid crystals with polarized laser light / Gibbons W.M., Shannon P.J., Sun S., Swetlin B.J. // Nature. 1991. №«351. C.49-50.

48. Gibbons W.M. Optically Controlled Alignment of Liquid Crystals: Devices and Applications / Gibbons W.M., Shannon P.J., Sun S. // Mol. Cryst. and Liq. Cryst. 1994. №251(1). C. 191-208.

49. Newsome C.J. Laser etched gratings on polymer layers for alignment of liquid crystals / Newsome C.J., O'Neill M., Farley R.J., Bryan-Brown G.P. // App. Phys. Lett. 1998. №72(17). C. 2078-2080.

50. Bryan-Brown G.P., Sage I.C. Photoinduced ordering and alignment properties of polyvinylcinnamates. Liquid Crystals. 1996. №20(6). C. 825-829.

51. Kim M. H. Alignment control of liquid crystals on surface relief gratings / Kim J. D., Fukuda T., Matsuda H. // Liquid Crystals. 2000. №27(12). C. 1633-1640.

52. Yadavalli N.S. A comparative study of photoinduced deformation in azobenzene containing polymer films / Yadavalli N.S., Loebner S., Papke T., Sava E., Hurduc N., Santer S. // Soft Matter. 2016. №12(9). C. 2593-2603.

53. Yadavalli N.S. Photosensitive response of azobenzene containing films towards pure intensity or polarization interference patterns / Yadavalli N.S., Saphiannikova M., Santer S. // App. Phys. Lett. 2014. №105. C. 051601-5.

54. Dubois-Violette E., Manneville P. Flow instabilities in nematics, in Pattern Formation in Liquid Crystals. - Springer: Berlin, 1996. - 331 c.

55. Oswald P. Nematic and Cholesteric Liquid Crystals / Oswald P. and Pieranski P. -Taylor and Francis: London, 2005. - 648 c.

56. Gähwiller Ch. The viscosity coefficients of a room-temperature liquid crystal (MBBA) // Phys. Lett. 1971. №36A(4). С. 311-312.

57. Kneppe H., Schneider F. Viscosity / глава в книге Handbook of Liquid Crystals (под ред. Demus D., Goodby J., Gray G.W., Spiess H.-W., Vill V.). - Wiley-VCH Verlag: Weinheim., 1998. С. 142-169.

58. Summerford J.W. Angular and temperature dependence of viscosity coefficients in a plane normal to the direction of flow in MBBA / Summerford J.W., Boyd J.R., Lowry

B.A. // J. Appl. Phys. 1975. №46. C. 970-974.

59. Beens W.W., de Jeu W.H. Flow measurements of the viscosity coefficients of two nematic liquid crystalline azoxybenzenes. // J. Phys. (France). 1983. №244(2). С. 129136.

60. Helfrich W. Molecular theory of flow alignment of nematic liquid crystals // J. Chem. Phys. 1969. №50(1). C. 100-106.

61. Pasechnik S.V. Nematic Liquid Crystals under Decay Pouseuille Flow: new Possibilities for Measurement of Shear Viscosity / Pasechnik S.V., Torchinskaya A.V., Tsvetkov V.A., Karandashov D.O. // Mol. Cryst. Liq. Cryst. 2001. №366.

C.165-171.

62. Miesowicz M. Liquid crystals in my memories and now - the role of anisotropic viscosity in liquid crystal research // Mol. Cryst. Liq. Cryst. 1983. №97. С. 1-11.

63. Hiroshima K., Mochizuki M. Influence of SiO Film-Thickness on Liquid Crystal Orientation // Jpn. J. Appl. Phys. 1980. №19(3). C. 567 - 568.

64. Lucas R. Time Law of the Capillary Rise of Liquids // Kolloid-Z. 1918. №23. С. 1522.

65. Washburn E.W. The dynamics of capillary flow // Rhys. Rev. 1921. №17(3). С. 273283.

66. Rideal E. K. CVIII. On the flow of liquids under capillary pressure. // The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. 1922. №44(264). С. 1152-1159.

67. Huh C., Mason S. G. The Steady Movement of a Liquid Meniscus in a Capillary Tube // J. Fluid Mech. 1977. №81. С. 401-419.

68. Mumley T.E. Kinetics of Liquid/Liquid Capillary Rise II Development and Test of Theory / Mumley T.E., Radke C.J., Williams M.C. // J. Colloid Interface Sci. 1986. №109. C. 398-412.

69. Blake T.D. Surfactant science series, Wettability // Surfactant Sci. Ser. 1993. №49. C. 251-309.

70. Siebold A. Effect of Dynamic Contact Angle on Capillary Rise Phenomena / Siebold A., Nardin M., Schultz J., Walliser A., Oppliger M. // Colloids Surf. 2000. №161. C. 81-87.

71. Hilpert M. Effects of Dynamic Contact Angle on Liquid Infiltration into Horizontal Capillary Tubes: (Semi)-Analytical Solutions. // J. Colloid Interface Sci. 2009. №337. C. 131-137.

72. Joos P. The Kinetics of Wetting in a Capillary / Joos P., Van Remoortere P., M. Bracke M. // Journal of Colloid and Interface Science. 1990. №136(1). C. 189-197.

73. Sheng P., Zhou M. Immiscible-Suid displacement: Contact-line dynamics and the velocity-dependent capillary pressure // Phys. Rev. A. 1992. №45(8). C. 5694-5708.

74. Blake T.D., Shikhmurzaev Y.D. Dynamic Wetting by Liquids of Different Viscosity // Journal of Colloid and Interface Science. 2002. №253. C. 196-202.

75. Cox R.G. The dynamics of the spreading of liquids on a solid surface. Part 1. Viscous flow // J. Fluid Mech. 1986. №168. C. 169-194.

76. Heshmati M., Piri M. Experimental Investigation of Dynamic Contact Angle and Capillary Rise in Tubes with Circular and Noncircular Cross Sections // Langmuir. 2014. №30(47). C. A-L.

77. Zakharov A.V., Vakulenko A.A. Traveling waves in twisted nematic liquid crystal cells // Phys. Lett. A. 2007. №370(2). C. 162-166.

78. Martins A. F., Veron A. Theory and numerical simulation of field-induced director dynamics in confined nematics investigated by nuclear magnetic resonance. // Liquid Crystals. 2010. №37(6-7). C. 747-771.

79. Vakulenko A.A., Zakharov A.V. Field-induced director dynamics in confined nematic liquid crystals imposed by a strong orthogonal electric field // Phys. Rev. E. 2013. №88(2). C. 022505-8.

80. Zakharov A.V., Vakulenko A.A. Dynamics of the periodic distortions in confined nematic liquid crystals imposed by a strong orthogonal electric field // Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics. 2015. №217. С. 23-31.

81. Zakharov A.V., Maslennikov P.V. Kinklike pressure wave in the microsized twisted nematic volume // Phys. Rev. E. 2019. №100. С. 032703-6.

82. Sliwa I. Kink- and double п-forms of distortions in a microsized nematic capillaries / Sliwa I., Maslennikov P.V., Zakharov A.V. // Journal of Molecular Liquids Volume. 2021. №331. С. 115818-8.

83. Sliwa I. Electrically Driven Torsional Distortions in Twisted Nematic Volumes / Sliwa I., Maslennikov P.V., Zakharov A.V. // Symmetry. 2022. .№14(11) С. 2365-27.

84. Zakharov A.V. Electrically driven nematic flow in microfluidic devices containing a temperature gradient / Zakharov A.V., Maslennikov P.V., Pasechnik S.V. // Phys. Rev. E. 2020. №101. С. 062702-9.

85. Беляев В.В. Вязкость нематических кристаллов - Москва: ФИЗМАТЛИТ, 2002. - 224 с.

86. Pozhidaev E.P. Ferroelectric C* phase induced in a nematic liquid crystal matrix by a chiral non-mesogenic dopant / Pozhidaev E.P., Torgova, S.I., Barbashov V.A., Minchenko M.V., Sulyanov S.N., Dorovatovskii P.V., Ostrovskii B.I., Strigazzi A. // App. Phys. Lett. 2015. №106. С. 062904-4.

87. Toshchevikov V. Photoisomerization kinetics and mechanical stress in azobenzene-containing materials / Toshchevikov V., Ilnytskyi J., Saphiannikova M. // J. Phys. Chem. Lett. 2017. №8. С. 1094-1098.

88. Tverdokhleb N. Viscoplastic Modeling of Surface Relief Grating Growth on Isotropic and Preoriented Azopolymer Films / Tverdokhleb N., Loebner S., Yadav B., Santer S., Saphiannikova M. // Polymers. 2023. №15(2). С. 463-12.

89. Yadavalli N.S. Structuring of photosensitive material below diffraction limit using far field irradiation / Yadavalli N.S., Saphiannikova M., Lomadze N., Goldenberg L.M., Santer S. // Appl. Phys. A. 2013. №113 С. 263-272.

90. Umlandt M. Light-Triggered Manipulations of Droplets All in One: Reversible Wetting, Transport, Splitting, and Merging / Umlandt M., Kopyshev A., Pasechnik

S.V., Zakharov A.V., Lomadze N., Santer S. // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2022. №14. C. 41412-41420.

91. Vilfan M. Dynamic light scattering measurements of azimuthal and zenithal anchoring of nematic liquid crystals / Vilfan M., Mertelj A., Copic M. // Phys. Rev.

E. 2002. №65. C. 041712-7.

92. Kneppe H. Rotational viscosity y1 of nematic liquid crystals / Knepp e H., Schneider

F., Sharma N.K. // J. Chem. Phys. 1982. №77. C. 3203-3208.

93. Toyooka T. Fukuda Determination of Twist Elastic Constant K22 in 5CB by Four Independent Light-Scattering Techniques / Toyooka T., Chen G.-P., Takezoe H., Fukuda A. // Jpn. J. Appl. Phys. 1987. №26. C. 1959-1966.

94. Sen S. Birefringence and order parameter of some alkyland alkoxycyanobiphenyl liquid crystals / Sen S., Brahma P., Roy S.K., Mukherjee D.K., Roy S.B. // Mol. Cryst. Liq. Cryst. 1983. №100. C. 327-340.

95. Bogi A., Faetti S. Elastic, dielectric and optical constants of 4'-pentyl-4-cyanobiphenyl // Liquid Crystals. 2001. №28(5). C. 729-739.

96. Belyaev A.V., Vinogradova O.I. Effective slip in pressure-driven flow past super hydrophobic stripes // J. Fluid Mech. 2010. №652. C. 489-499.

97. Girardo S. Interplay between Shape and Roughness in Early-Stage Microcapillary Imbibition / Girardo S., Palpacelli S., De Maio A., Cingolani R., Succi S., Pisignano D. // Langmuir. 2012. №28. C. 2596-2603.

98. Tang L.-H., Tang Y. Capillary Rise in Tubes with Sharp Grooves // J. Phys. II. 1994. №4. C. 881-890.

99. Kneppe H. A Comparative Study of the Viscosity Coefficients of Some Nematic Liquid Crystals / Kneppe H., Schneider F., Sharma N.K. // Phys. Chem. 1981. №85. C. 784-789.

100. Manneville P. Theoretical Analysis of Poiseuille Flow Instabilities in Nematics // J. Phys. Paris. 1979. №40. C. 713-724.

101. Pieranski P., Guyon E. Instability of certain shear flows in nematic liquids // Phys. Rev. A. 1974. №9. C. 404-417.

102. Janossy I. Poiseuille Flow in nematics: Experimental study of the instabilities / Janossy I., Pieranski P., Guyon E. // J. Phys. 1976. №37. C. 1105-1113.

103. Tsvetkov V.A. Anisotropic Properties of the LC Surface Tension / Tsvetkov V.A., Tsvetkov O.V., Balandin V.A. // Mol. Cryst. Liq. Cryst. 1999. №329(1). C. 305-312.

104. de Gennes P.G. Wetting: Statics and dynamics // Rev. Mod. Phys. 1985. №57. C. 827-863.

105. Bénichou O. Thin films in wetting and spreading / Bénichou O., Cachile M., Cazabat A.M., Poulard C., Valignat M.P., Vandenbrouck F., Van Effenterre D. // Adv. Colloid Interface Sci. 2003. №100. C. 381-398.

106. Adâo M.H. Droplet spreading on heterogeneous substrates using molecular dynamics / Adâo M.H., de Ruijter M., Voué M., De Coninck J. // Phys. Rev. E. 1999. №59. C. 746-750.

107. Cheng E., Ebner C. Dynamics of liquid-droplet spreading: A Monte Carlo study // Phys. Rev. B. 1993. №47. C. 13808-13811.

108. Cummings L.J. Modeling and simulations of the spreading and destabilization of nematic droplets / Cummings L.J., Lin T.-S., Kondic L. // Phys. Fluids. 2011. №23. C. 043102-043112.

109. Bardon S. Organization of cyanobiphenyl liquid crystal molecules in prewetting films spreading on silicon wafers / Bardon S., Ober R., Valignat M.P., Vandenbrouck F., Cazabat A.M., Daillant J. // Phys. Rev. E. 1999. №59. C. 6808-6818.

110. Poulard C., Cazabat A.M. Spontaneous spreading of nematic liquid crystals // Langmuir. 2005. №21. C. 6270-6276.

111. Rey A.D. Nematic contact lines and the Neumann and Young equations for liquid crystals // J. Chem. Phys. 1999. №111. C. 7675-7684.

112. Viswanath P., Suresh K.A. Spreading and retraction dynamics of smectic liquid crystal domains at interfaces // Liq. Cryst. 2014. №41. C. 320-327.

Приложение А

(справочное)

Физические параметры нематического жидкого кристалла 5ЦБ

Таблица А.1 - Характеристики НЖК 5ЦБ при температуре Т = 299 К [6].

Вязкость, Па*с

Ц1 0,1052

Ц2 0,0204

цз 0,0326

Ц12 -0,0060

У1 0,0777

У2=Ц1-Ц2 -0,0848

Коэффициенты Лесли, Па*с

ш -0,0060

а2 -0,0812

аз -0,0036

а4 0,0652

а5 0,0640

аб -0,0208

Модули Франка, Н

К11 6,2х10-12

К22 3,9х10-12

Кзз 8,210-12

Параметр Обозначение Значение

Поверхностное натяжение, Н/м а 0,0326

Плотность, кг/м3 Р 1020

Диэлектрическая проницаемость 81 18,5

81 7

Д8 = 81 - 81 11,5

Температура фазового перехода, К Ты 308,6

Таблица А.2 - Значения коэффициентов сдвиговой вязкостей Месовича П2, П3 П12, и вращательной вязкости у1 НЖК 5ЦБ, выражено в Па*с [85].

Т, К П1 П2 П3 П12 У1 72

296 0,1296 0,0229 0,0374 -0,0111 0,0968 0,1067

299 0,1052 0,0204 0,0326 -0,0060 0,0777 0,0848

302 0,0869 0,01855 0,0287 -0,0055 0,0607 0,06835

305 0,0685 0,01720 0,0256 -0,0021 0,0450 0,0513

307 0,0581 0,01667 0,0240 -0,0020 0,0334 0,04143

308 0,0529 0,01689 0,0235 -0,0024 0,0262 0,03601

309 0,0253

314 0,0205

319 0,01684

324 0,01402