ІНСТИТУТ ФІЗИКИ

На правах рукопису

УДК 532.783; 548-144; 539.216.2(3)

Нич Андрій Богданович

ТОНКІ ПЛІВКИ РІДКИХ КРИСТАЛІВ

З ВИРОДЖЕНИМИ

ГРАНИЧНИМИ УМОВАМИ

01.04.15 – фізика молекулярних і рідких кристалів

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико–математичних наук

Київ — 2001 р.

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті фізики Національної академії наук України

Науковий керівник: кандидат фізико–математичних наук

Назаренко Василь Генадійович,

Інститут фізики НАН України,

відділ молекулярної фотоелектроніки,

старший науковий співробітник

Науковий консультант: доктор фізико–математичних наук

Лев Богдан Іванович,

Інститут фізики НАН України,

відділ теоретичної фізики,

провідний науковий співробітник

Офіційні опоненти: доктор фізико–математичних наук,

професор Пучковська Галина Олександрівна,

Інститут фізики НАН України,

зав. відділом фотоактивності

доктор фізико–математичних наук,

професор Пінкевич Ігор Павлович,

Київський національний університет

імені Т.Г. Шевченка,

зав. кафедрою теоретичної фізики

Провідна організація: Інститут фізики напівпровідників НАН України, відділення оптоелектроніки,

м. Київ, Україна.

Захист дисертації відбудеться 24 січня 2002 року о 14 год. 30 хв. на засіданні спеціалізованої Вченої ради Д.26.159.01 при Інституті фізики НАН України (адреса: 03650 МПС, Київ-39, проспект Науки, 46).

З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці Інституту фізики НАН України.

Автореферат розісланий “ 21 ” грудня 2001 р.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Фізика рідких кристалів є однією з наймолодших галузей фізики конденсованого стану. Бурхливий її розвиток почався з того моменту, коли було виявлено, що рідкі кристали (РК) можна використовувати у різного роду пристроях відображення інформації. І з того часу рідкі кристали знаходяться під пильною увагою науковців.

Одним із параметрів, які визначають властивості рідкокристалічних зразків є орієнтація молекул рідкого кристалу. Як відомо, відповідною обробкою поверхонь, з якими контактує рідкий кристал, можна задавати орієнтацію молекул рідкого кристалу. Орієнтація наведена твердою підкладкою є фіксована і, крім деяких випадків [1], не змінюється на протязі всього температурного інтервалу мезофази. Проте якщо рідкий кристал знаходиться в контакті з ізотропним середовищем, то ситуація буде цілком інша. За таких умов молекули РК можуть вільно повертатися не змінюючи енергію системи за умови, що кут їх нахилу до поверхні не змінюється.

Орієнтаційні переходи у вільнопідвішених плівках нематичних рідких кристалів можна поділити на дві групи:

1. спонтанні переходи, тобто переходи, які відбуваються без зовнішнього впливу. Такі зміни орієнтації молекул у плівках можуть бути зумовлені, наприклад, зміною товщини плівки чи температурою.

2. вимушені переходи, тобто переходи, які відбуваються під дією якоїсь зовнішньої сили (наприклад, градієнту тиску, магнітного чи електричного полів).

Вільнопідвішені плівки нематичних рідких кристалів із ряду ціанобіфенілів демонструють стійку гомеотропну орієнтацію на протязі всього діапазону температури існування мезофази та в широкому інтервалі товщин. Для рідкого кристалу МББА (N-(p-метоксибензиліден)-p-бутиланілін) ситуація є складнішою. При кімнатній температурі нематик МББА може мати три типи текстур в залежності від товщини плівки [2]:

а) для товстих зразків, товщина , орієнтація директора є просторово неоднорідна, похила;

б) для проміжних товщин, порядку кілька десятків мікрон, зафіксовано гомеотропну орієнтацію;

в) для тонких зразків, , орієнтація знову стає похилою, створюючи “шлірен” текстуру.

Більш того, у вільнопідвішених плівках МББА спостерігається зміна орієнтації директора і при зміні температури [2]. При пониженні температури від 30 ?С до є? спостерігається перехід від гомеотропної до похилої орієнтації директора.

Також цікавим і важливим для науки і техніки є дослідження дисперсій та диспергованих рідких кристалів. Одним з прикладів таких систем є полімерно дисперговані рідкокристалічні композиції. На сьогодні це є окрема і досить добре вивчена область рідких кристалів. На відміну від полімерно диспергованих нематиків, де кожна крапля рідкого кристалу жорстко фіксована, нематичні емульсії складаються із завислих у рідкому кристалі краплинок полімеру чи, у найпростішому випадку, просто ізотропної рідини, де ці краплини можуть рухатися, взаємодіяти та змінювати свій просторовий розподіл. Більше того, дисперговані в жорсткому полімері краплі рідкого кристалу мають чітко фіксовану орієнтацію директора на поверхні, тобто орієнтація не є виродженою і будь–які зміни в просторовому розподілі директора суттєво впливають на загальну енергію системи. Ще одним недоліком полімерно диспергованих рідких кристалів є несферичність диспергованих крапель, а це не дає змогу однозначно трактувати положення дефектів, індукованих в краплині, і чи ці дефекти пов’язані з розподілом директора, чи вони пов’язані з неоднорідностями форми самої краплі. Для емульсій характерно, що форма краплин є однозначно сферичною (при відсутності зовнішньої сили) і наявність дефектів та їх положення визначається граничними умовами на поверхні та глобальним розподілом директора. Це дає змогу прослідкувати як взаємодію між окремими краплинами так і спостерігати колективний характер такої взаємодії. Наприклад, структури у вигляді ланцюгів крапель з гомеотропними граничними умовами спостерігались в роботах [3], [4].

Мета даної роботи полягає у вивченні основних закономірностей структури рідкого кристалу з виродженими граничними умовами; визначенні кількісних параметрів, як то розподіл директора, критична товщина і т.д.

Робота виконувалась в двох експериментальних напрямках. В першому досліджувалися вільнопідвішені тонкі плівки нематичного рідкого кристалу. В другому — нематик диспергувався в рідкій ізотропній речовині, створюючи краплі які могли рухатися та змінювати форму. Також досліджувалися зворотні системи – суспензії крапель ізотропної рідини в нематичному рідкому кристалі.

Наукова новизна одержаних результатів роботи полягає в тому, що:

1. Вільнопідвішеним плівкам нематичного рідкого кристалу притаманні два типи орієнтації: гомеотропна та подвійно гібридна вироджена. Реалізація тієї чи іншої орієнтації директора та його розподіл залежить від умов, при яких створювалася плівка. Якщо в процесі створення нематичної плівки зароджується дефект, то кінцева орієнтація буде подвійно гібридна вироджена. В інших випадках одержана орієнтація є гомеотропна. Експериментально показано, що дефекти великої сили притаманні нематичним плівкам з жорсткими граничними умовами не можуть реалізуватися у вільнопідвішених плівках. Дано теоретичний аналіз ієрархії структур для вільнопідвішених плівок нематичного рідкого кристалу.

2. Нематичні краплі вільнопідвішені в рідкому ізотропному полімері під дією змінного електричного поля приймають форму еліпсоїда обертання. Встановлено залежність форми краплі, величини видовження та величини критичних полів від концентрації іонів в системі. Вперше експериментально продемонстровано немонотонний характер зміни поверхневого натягу на межі нематик–полімер при зростанні концентрації додаткових іонів. Запропоновано теоретичне пояснення спостережуваного ефекту та визначено умови при яких крапля рідкого кристалу втрачає стійкість.

3. Вперше експериментально спостерігалась самоорганізація у вигляді гексагональної кристалічної структури крапель ізотропної рідини вільнопідвішених в нематичній матриці. Позиційний порядок крапель створюється за рахунок диполь–дипольної та квадрупольної взаємодії крапель через пружні деформації директора. Знак, як то притягання чи відштовхування, та сила взаємодії залежить від глобальної орієнтації директора у зразку та розміру ізотропних включень.

Практичне значення одержаних результатів

1. Явище зміни форми крапель нематичного рідкого кристалу, завислих в ізотропній полімерній матриці, може бути використане для побудови когерентного випромінювача звуку.

2. Явище самоорганізації в системі крапель гліцерину в плівці рідкого кристалу з гібридною орієнтацією можна використати як при дослідженні процесів у двовимірних системах, так і при дослідженні фотонних кристалів.

Внесок автора

Автор брав участь у постановці задач, розглянутих в дисертації, самостійно проводив експерименти та отримав усі основні результати, згадані в роботі, та разом із співавторами приймав рівноправну участь в інтерпретації експериментально отриманих результатів та побудові фізичних моделей явищ, що вивчалися в дисертації.

Достовірність результатів забезпечена високим рівнем експериментальної техніки, контролем точності вимірювань та обчислень на ЕОМ, використанням сучасних методик мікроскопічних та оптичних вимірювань, повторюваністю результатів досліджень, відповідністю отриманих експериментальних результатів даним інших авторів.

Апробація роботи

Результати роботи доповідались на міжнародних конференціях “Advanced Display Technologies” (Мінськ, 1998; Новий Світ, 1999), “Electronic processes in organic materials” (Харків, 2000), “International Liquid Сrystal Сonference” (Japan, Sendai, 2000), “Nonlinear Optics of Liquid and Photorefractive Crystals” (Алушта, 2000), “Physics Of Liquid Matter: Modern Problems” (Київ, 2001).

Публікації

По темі дисертаційної роботи опубліковано 5 робіт.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота виконувалась в рамках проекту НАН України “Дослідження фотоелектричних та електрооптичних явищ в молекулярних структурах з просторовим упорядкуванням різної розмірності”, номер Держреєстрації 0198U001124; проекту НАН України “Дослідження процесів колективних взаємодій в молекулярних системах на основі рідинних кристалів”, номер Держреєстрації 0101U000354; програми “Технологія принципово нових конкурентноспроможних рідкокристалічних засобів відображення інформації”, договір № 60/97–16; проекту INTAS № 30234; проектів УНТЦ № 637 та № 2025.

Об’єм роботи

Дисертація викладена на 102 сторінках, має вступ, 4 розділи, висновки, містить 34 малюнки та 1 таблицю. Бібліографія містить 112 найменувань.

Основний зміст роботи

У вступі обгрунтовується актуальність теми дослідження, сформульована мета роботи та наукова новизна результатів, основні наукові положення, що виносяться на захист.

Перший розділ носить оглядовий характер. В ньому викладено основні результати та особливості досліджень вільнопідвішених плівок нематичного та смектичного рідкого кристалу та нематичних плівок з виродженими гібридними граничними умовами. Показано основні типи структур, закономірність їх виникнення та ефекти, що в них спостерігаються. Особливу увагу було звернено на результати досліджень дисперсій крапель води в нематичній матриці, дефектів, що виникають в таких системах та їх взаємодії.

У другому розділі наведено експериментальні результати по вивченню орієнтації директора у вільнопідвішених плівках нематичного рідкого кристалу.

Як тримач плівок рідкого кристалу використовували мідну фольгу товщиною 10 мкм з квадратними отворами розміром 450 мкм і відстанню між сусідніми отворами 50 мкм. На фольгу наносили 5% розчин рідкого кристалу 5ЦБ у гексані. Коли гексан випаровувався, у отворах мідної фольги формувалися однорідні плівки рідкого кристалу. Після цього фольгу з плівками поміщали в мікроскопний нагрівник HS-1 (Instec, Inc.), який дає можливість змінювати температуру з точністю до 0.03 К, а також керувати швидкістю нагрівання чи охолодження зразків. Вимірювання профілю плівок проводилося в ізотропній фазі рідкого кристалу за допомогою інтерференційно–поляризаційного мікроскопа PERAVAL Interphako® (Carl Zeiss, Jena), який має вбудований інтерферометр Маха–Цендера. Було розроблено алгоритм, який за положенням і формою інтерференційних смуг відтворював профіль плівок.

Рис. 1. Профіль вільнопідвішеної плівки нематичного рідкого кристалу 5ЦБ у повітрі.

У щойно приготованих зразках спостерігалася гомеотропна орієнтація директора. Встановлено, що при фазових переходах профіль плівок рідкого кристалу не змінювався. Цей факт було перевірено вимірюванням профілю плівки в нематичній фазі з гомеотропною орієнтацією та його порівнянням із профілем плівки в ізотропній фазі.

Для проведення експериментів плівки рідкого кристалу нагрівали до температури більшої за температуру просвітлення даного матеріалу. Оскільки температура просвітлення нематичного рідкого кристалу 5ЦБ рівна С, то за початкову температуру плівок було вибрано температуру 50С. Далі вільнопідвішені плівки рівномірно охолоджували, змінюючи швидкість охолодження, та спостерігали за перебігом фазового переходу ізотропна рідина–нематик.

Рис. 2. Текстури, які спостерігалися у вільнопідвішених плівках при фазовому переходу ізотропна рідина–нематик при різних швидкостях охолодження (температура зменшується зверху вниз): а) 0.05 C/сек; б) 0.5 C/сек; в) 3 C/сек. Поляризатори схрещені.

При зменшенні температури зі швидкістю 0.05 С за секунду спостерігався фазовий перехід і далі процес встановлення гомеотропної орієнтації директора в шарі рідкого кристалу. Кінетика цього процесу показана на рис. 2, а. В кінцевому стані, тобто коли рідкий кристал уже перебуває в нематичній фазі, усі клітинки темні. Оскільки спостереження проводились у схрещених поляризаторах, то це означає, що орієнтація директора всюди є нормальною до поверхні плівки. Як видно з рис. 2 при фазовому переході ізотропна рідина – нематик появі гомеотропної орієнтації передує стан з дефектами. Ці дефекти аналогічні до сітки дефектів, яка спостерігалась у плівці 5ЦБ з гібридною орієнтацією та виродженими граничними умовами. Можна припустити, що появі гомеотропної орієнтації у плівці РК передує стан з подвійно виродженою гібридною орієнтацією, оскільки на межі з повітрям молекули РК орієнтуються перпендикулярно до поверхні.

Якщо швидкість охолодження плівки нематика з ізотропної фази збільшити до 0.5 С за секунду, можна побачити, що в кінцевому стані деякі плівки мають значну двопроменезаломлюючу текстуру, яка може бути класифікована як шлірен-текстура (див. рис. 2, б). Також з рис. 2, б видно, що у комірках, в яких є шлірен-текстура є топологічні дефекти. Якщо і далі збільшувати швидкість охолодження плівок і довести її до значення 3 С за секунду, то у кінцевому стані майже повністю домінує шлірен–текстура (див. рис. 2, в). Ця шлірен-текстура залишається стабільною і не руйнується при нагріванні чи охолодженні плівок рідкого кристалу в межах нематичної фази.

Якщо послідовно провести необхідні обрахунки, то отримаємо, що енергія одиничного об’єму з гомеотропною орієнтацією рівна Дж/м2, а з планарною —Дж/м2. – це є мінімальна енергія шару рідкого кристалу. Очевидно, що саме гомеотропна орієнтація має реалізовуватись для вільнопідвішеної плівки 5ЦБ. Структура з іншим розподілом директора матиме більшу енергію. Шлірен текстура, яка спостерігається при швидкому охолодженні плівок, ймовірно є подвійно гібридною, тому що повністю подолати поверхневе зчеплення є енергетично невигідно. Це можна легко порахувати. Енергія шару нематика з подвійно виродженою орієнтацією рівна Дж/м2.

В процесі швидкого охолодження з ізотропного стану виникає кілька центрів кристалізації нематика. Це, в свою чергу, приводить до виникнення дефектів в процесі утворення стаціонарної орієнтації нематика. Характерними дефектами для даної ситуації є доменні стінки та поверхневі лінії. Розрахунки показують, що енергія доменної стінки рівна, а енергія поверхневої лінії Дж/м2.

Таким чином, енергії структур у вільнопідвішених плівках нематичного рідкого кристалу 5ЦБ співвідносяться так:

(1)

Отже, якщо в процесі кристалізації та орієнтації вільнопідвішеного шару нематика з’являються дефекти, то для того, щоб перейти від подвійної гібридної чи планарної орієнтації до гомеотропної, плівка рідкого кристалу має пройти через стан з дефектами, який володіє більшою вільною енергією. Це може бути доменна стінка при чи поверхнева лінія при, де екстраполяційна довжина. Тобто для того, щоб перейти до гомеотропного впорядкування молекул шар рідкого кристалу має подолати стан, що володіє більшою вільною енергією, що без зовнішньої дії неможливо.

Третій розділ присвячено вивченню ефекту видовження крапель нематичного рідкого кристалу, завислих у рідкому ізотропному полімері, при дії зовнішнім змінним електричним полем. Полімерна суміш складалася з акрилату уретану та тетраметил оксигліколю у ваговій пропорції 80%:20%. Суміш рідкого кристалу і полімеру готувалася при кімнатній температурі. Потім ця суміш заправлялася в комірку, яка складалася з двох скляних пластин, між якими були розташовані електроди, які одночасно задають і товщину комірки. Відстань між електродами становила 12 мм, а їх товщина — 0.12 мм. Заправлену комірку поміщували в нагрівник із термостабілізатором і прикладали змінне електричне поле з частотою 1 кГц. Вимірювання видовження крапель проводили при температурі 25С за допомогою мікроскопа. На протязі експерименту краплі рідкого кристалу залишалися майже нерухомими через порівняно велику в’язкість полімеру. Початкові значення провідностей полімеру і рідкого кристалу становили та відповідно. В якості іонної домішки для зміни концентрації іонів у системі використовувався тетрабутил амоній бромистий (ТБАБ). Розчиняючись в полімері чи рідкому кристалі молекули ТБАБ вносять додаткові іони, але система в цілому залишається електронейтральною.

Опис поведінки окремої сферичної краплі повинен враховувати фактори поляризації дисперсного середовища у зовнішньому електричному полі, а також процеси, пов’язані з провідністю носіїв струму. Визначення рівноважної форми краплі базується на знаходженні мінімуму вільної енергії. Вільна енергія повинна враховувати пружну енергію деформацій директора всередині краплі, поверхневу енергію та енергію, пов’язану з дією зовнішнього електричного поля. Як відомо, при дії зовнішнім електричним полем на краплю спочатку проходить переорієнтація директора. Коли величина поля і директор практично однорідно орієнтований вздовж поля. Подальша поведінка форми краплі пов’язана із взаємодією електричного поля з діелектричним середовищем краплі в цілому. Електричне поле всередині діелектричного макровключення за рахунок ефектів поляризації відрізняється від прикладеного зовнішнього поля. Як відомо, під дією електричного поля крапля діелектрика в іншому діелектрику починає витягуватися вздовж поля чи стискатися залежно від співвідношення діелектричних проникливостей середовищ, перетворюючи форму краплі в еліпсоїд обертання. При анізотропна частина енергії є малою порівняно з енергією поверхневого натягу, тому при деформації краплі розподіл директора майже не змінюється. Крапля змінює форму лише тоді, коли вклад польової частини вільної енергії стає рівним вкладу енергії поверхневого натягу. Тому при розрахунках критичного поля можна знехтувати анізотропними складовими, пов’язаними з розподілом директора. При наближенні величини поля до критичного значення, основну роль в орієнтації краплі відносно напряму поля відіграють величина анізотропії діелектричної проникливості та співвідношення між діелектричними проникливостями краплі і середовища. В розглянутому в роботі випадку директор буде орієнтуватися вздовж напряму поля і крапля також буде витягуватися вздовж напряму прикладеного електричного поля.

В роботі досліджено поведінку краплі рідкого кристалу, завислої в рідкому ізотропному полімері у двох випадках: без внесення додаткових іонів в систему і при внесенні додаткових іонів. На рис. 3 показано експериментальні та теоретичні залежності параметра видовження краплі від прикладеного зовнішнього електричного поля для різних концентрацій додаткових іонів у системі.

Рис. 3. Залежності параметру видовження краплі від величини прикладеного електричного поля при різних типах взаємодії з електричним полем: діелектричному (крива а) та провідному (криві б, в, г). Точки – експериментальні дані.

Крива а на рис. 3 та відповідні експериментальні точки показують залежність для випадку, коли додаткових іонів у системі нема. У цьому випадку форма краплі визначається лише діелектричними властивостями рідкого кристалу і полімеру. Методом найменших квадратів для цієї залежності було встановлено, що відношення діелектричних проникливостей рідкого кристалу і полімеру рівне а коефіцієнт поверхневого натягу на межі рідкий кристал–полімер рівний. Значення параметра було також виміряне експериментально і воно рівне.

При поданні електричного поля видовжені краплі мають форму еліпсоїда обертання (див. рис. 4 а, б, в) поки величина поля не досягне критичного значення, коли крапля втрачає стійкість до розпаду на дві менших краплі.

Рис. 4. Форма краплі рідкого кристалу при різних значеннях величини прикладеного електричного поля: а, б, в – без додаткових іонів; г, д, е – з додатковими іонами.

Коли у систему внести додаткові іони, то відбувається переключення режимів впливу електричного поля з діелектричного на провідний. Тепер починають діяти процеси поляризації, пов’язані з перерозподілом носіїв заряду в краплі рідкого кристалу. Математично це задається неперервністю нормальної складової струму, який проходить в такій неоднорідній системі.

Експериментальні дані та теоретичні розрахунки залежності при внесенні в систему додаткових іонів показані на рис. 3 криві б, в, г. В цьому випадку поведінка крапель визначається вже не відношенням діелектричних проникливостей, а відношенням провідностей рідкого кристалу і полімеру. Значення параметрів та коефіцієнта поверхневого натягу на межі рідкий кристал–полімер для тих самих концентрацій додаткових іонів, що й на рис. 3 наведені в таблиці 1.

З цих даних випливає, що коефіцієнт поверхневого натягу на межі рідкий кристал–полімер змінюється не монотонно із зростанням концентрації додаткових іонів. Таку немонотонну поведінку коефіцієнта поверхневого натягу можна пояснити адсорбцією зарядів на поверхні краплі. Результатом цього є утворення подвійних електричних шарів. А для великих концентрацій додаткових іонів величина поверхневого натягу визначається, в основному, саме цими подвійними електричними шарами.

Таблиця 1. Параметри системи рідкий кристал – полімер.

Невідповідність експериментальних і отриманих теоретично значень коефіцієнта поверхневого натягу можна пояснити, якщо взяти до уваги методику вимірювання поверхневого натягу. Експерименти по вимірюванню коефіцієнта поверхневого натягу проводились для плоскої поверхні, в той час як розраховані значення стосуються малих диспергованих крапель рідкого кристалу, на які діє змінне електричне поле. В останньому випадку поле, прикладене до крапель відрізняється від поля, прикладеного до комірки, через поляризаційні процеси. Проте видно, що в обох наборах даних спостерігається одна і таж тенденція (див. таблицю 1)

Як видно з рис. 4 (г, д, е) при внесенні додаткових іонів в систему при поданні електричного поля на поверхні крапель спостерігається утворення гострих кінців для всіх концентрацій іонів. Нестійкість краплі до розпаду також має інший характер. При досягненні електричним полем критичного значення від полюса краплі відривається маленька крапля з нескомпенсованим зарядом, а сама крапля за час с релаксує до рівноважної.

У четвертому розділі розглянуто ефект виникнення гексагональної гратки в системі крапель гліцерину, завислих в плівці нематичного рідкого кристалу з гібридною орієнтацією. Методика приготування системи завислих в рідкому кристалі крапель гліцерину була такою. В кювету наливали шар очищеного гліцерину товщиною мм, на який потім наносили шар рідкого кристалу 5ЦБ. Товщина шару рідкого кристалу становила від 60 мкм до 120 мкм. Як тільки в системі встановлювалася термодинамічна рівновага, зразок нагрівали до 50 С. Молекули гліцерину можуть дифундувати в рідкий кристал і ефективність дифузії зростає з підвищенням температури. Для цього зразок витримували при даній температурі протягом 10–15 хвилин, а потім нагрівник вимикали. При пониженні температури у плівці рідкого кристалу спостерігається конденсація та ріст крапель гліцерину, оскільки з пониженням температури кількість гліцерину, який може розчинитися в рідкому кристалі зменшується. Для того, щоб отримати краплі гліцерину різних розмірів змінювали час, протягом якого система перебувала нагрітою, від 2 до 15 хв. Переважна частина крапель гліцерину відразу після утворення опускається до нижньої межі плівки рідкого кристалу, оскільки густина гліцерину більша за густину рідкого кристалу. Але є краплі, які до нижньої межі не опускаються. Вони утримуються поблизу поверхні плівки рідкого кристалу поляризаційними силами. Оцінка відстані краю краплі гліцерину до поверхні плівки рідкого кристалу дає величину мкм.

Гексагональна структура в системі крапель гліцерину, які зависли під верхньою поверхнею плівки рідкого кристалу, з’являється приблизно через 4 години після охолодження зразка до кімнатної температури (див. рис. 5, а, б). Якщо нагріванням перевести рідкий кристал у ізотропну фазу, то структура зникає, а розподіл крапель стає випадковим.

Рис. 5. Кристалічна структура у системі крапель гліцерину після охолодження зразка до кімнатної температури: а) – фотографія гексагональної структури; б) – схематичне зображення тієї ж структури; в) – фотографія крапель в ізотропній фазі рідкого кристалу.

Для того, щоб утворилася стійка кристалоподібна структура потрібно, щоб між краплями існували сили притягання і відштовхування. Причому сили притягання мають бути більш далекодіючими, ніж сили відштовхування. Фізично притягання між краплями виникає тому, що об’єднання окремих областей з деформованим розподілом директора зменшує деформаційну енергію рідкого кристалу. На рис. 6 показано розподіл директора біля двох крапель гліцерину в плівці рідкого кристалу. Видно, що випуклості в розподілі директора поблизу однієї краплі попадають у впадини поблизу іншої, що й зменшує пружну енергію.

Рис. 6. Схематичне зображення розподілу директора поблизу двох сусідніх крапель гліцерину у гібридній плівці рідкого кристалу. Видно, що випуклості в розподілі директора поблизу лівої краплі попадають у впадини поблизу правої і це зменшує пружну енергію.

Для того, щоб правильно розрахувати енергію взаємодії крапель гліцерину потрібно розрахувати розподіл директора навколо крапель шляхом мінімізації вільної енергії рідкого кристалу. Щоб уникнути такої складної задачі можна розглядати всю область спотворення розподілу директора поблизу краплі і саму краплю як одну частинку. Тобто для пояснення взаємодії у системі крапель гліцерину ми розглядаємо викривлені веретеноподібні частинки з планарними крайовими умовами. У цьому випадку, як показано у роботі [5], усі необхідні параметри можна визначити виходячи з геометричної форми веретеноподібної частинки та енергії зчеплення. Результуюча енергія взаємодії двох крапель має вигляд:

, (2)

де і – компоненти тензорів, який описують геометричну форму частинки і залежить від типу зчеплення молекул рідкого кристалу на границі краплі; – пружна константа рідкого кристалу; – кут між напрямом на нижній буджум з центра краплі та нормаллю до межі розділу РК–повітря (див. рис. 6); – відстань між краплями. Перший доданок описує дипольне притягання між двома краплями. Ця взаємодія анізотропна, але притягальна при значеннях кута . Другий доданок описує квадрупольне відштовхування крапель. Ця взаємодія також є анізотропною, але вона є відштовхувальною, коли кут лежить в межах від 0? до ~31. Промінімізувавши залежність енергії взаємодії від відстані між краплями отримаємо вираз для періоду гексагональної структури:

. (3)

Графік цієї залежності разом з експериментальними точками показано на рис. 7. Видно, що теоретичні розрахунки добре узгоджуються з результатами експерименту.

Рис. 7. Залежність періоду гексагональної структури від радіуса крапель гліцерину. Суцільна лінія – теоретичний розрахунок за рівнянням (3), точки – експериментальні дані.

Основні результати і висновки

У вільнопідвішених плівках нематичного рідкого кристалу з ??>0 спостерігаються дві стабільні текстури: гомеотропна та планарна шлірен-текстура. Тип орієнтації у плівки змінюється залежно від швидкості охолодження плівки з ізотропної фази до нематичної. При різкому охолодженні з ізотропного стану у плівці утворюється багато дефектів. А через те, що вільна енергія шлірен-текстури має проміжне значення між енергіями стану з гомеотропною орієнтацією та стану з дефектами, шлірен-текстура є енергетично вигіднішою. Вона залишається стабільною у всьому діапазоні температур, де існує нематична фаза РК.

Виявлено гігантську зміну форми краплі нематичного рідкого кристалу, завислої у рідкому ізотропному полімері, при дії зовнішнім змінним електричним полем. При різних концентраціях іонів у системі проявляються два режими нестійкості — діелектричний (коли відношення провідності РК до провідності ізотропної матриці ) та провідний (коли відношення провідності РК до провідності ізотропної матриці). При діелектричному характері взаємодії краплі рідкого кристалу з полем деформована крапля має форму витягнутого еліпсоїда. При провідному характері взаємодії крапля набуває веретеноподібної форми. Процес зміни форми краплі носить пороговий характер.

Експериментально виявлено немонотонність зміни поверхневого натягу на межі рідкого кристалу і полімеру із зміною концентрації іонів. При зростанні концентрації іонів у системі величина коефіцієнту поверхневого натягу спочатку зменшується, а потім зростає, перевищуючи початкову величину (при відсутності додаткових іонів). Цей процес пов’язаний із формуванням подвійних електричних шарів на межі рідкий кристал — полімер.

Вперше експериментально спостерігалось гексагональне впорядкування у системі крапель гліцерину, вільнопідвішених в нематичній матриці з гібридною орієнтацією директора. Рівноважний розподіл крапель визначається їх взаємодією через поле деформацій директора. Взаємодія між краплями має диполь-дипольний та квадрупольний характер внаслідок порушення сферичної та осьової симетрії розподілу директора навколо крапель. Отримані експериментальні дані по залежності періоду структури від розміру крапель підтверджують запропоновану модель взаємодії.

Результати дисертації опубліковані в роботах

1. V. Nazarenko, A. Nych. Multistable alignment in freely suspended liquid crystal films//Phys. Rev. E.–1999.–Vol. 60, N 4.– P. R3495.

2. Б.И. Лев, В.Г. Назаренко, А.Б. Ныч, П.М. Томчук. Изменение формы и неустойчивость капель нематика во внешнем электрическом поле//Письма в ЖЭТФ.–2000.–Т. 71, вып. 6.–С. 377.

3. V. Nazarenko and A. Nych. Textures in Thin Free Suspended Nematic Liquid Crystal Film//Molecular Crystals And Liqiud Crystals.–2001.–Vol. 361.–P. 193.

4. B.I. Lev, V.G. Nazarenko, A.B. Nych, D. Schur, P.M. Tomchuk, J. Yamamoto, H. Yokoyama//Deformation of liquid crystal droplets under the action of an external ac electric field//Phys. Rev. E.–2001.–Vol. 64.–021706.

5. V.G. Nazarenko, A.B. Nych, B.I. Lev. Crystal structure in nematic emulsion//Phys. Rev. Letters.–2001.–Vol. 87, N 7.– 075504.

та тезах конференцій

1. V. Nazarenko, A. Nych. Thin Free Suspended Nematic Liquid Crystal Films// The VIII-th International Symposium “Advanced Diplay Technologies” abstracts.– Noviy Svit (Crimea, Ukraine).– 1999.– P. 30.

2. V. Nazarenko, A. Nych. Surface Tension of Freely Suspended Smectic A Liquid Crystal Films// VIII-th International Conference “Electronic processes in Organic materials”: conference abstracts.– Kharkiv (Ukraine).– 2000.– P. 123.

3. B.I. Lev, V.G. Nazarenko, A.B. Nych, D. Shchur, P.M. Tomchuk, J. Yamamoto and H. Yokoyama. Deformation of Liquid Crystal Droplets Under the Action of an External AC Electric Field//Abstracts of the 8–th International Conference “Nonlinear Optics of Liquid and Photorefractive Crystals”.– Alushta (Crimea, Ukraine).– 2000.– P. 21.

4. V. Nazarenko, A. Nych and B. Lev. Crystal Structure in Nematic Emulsion//Abstracts of the International Conference “Physics of Liquid Matter: Modern Problems”.– Kyiv (Ukraine).– 2001.– P. 96.

Цитована література:

1. V.G. Nazarenko and O.D. Lavrentovich. Anchoring transition in a nematic liquid crystal composed of centrosymmetric molecules//Phys. Rev. E.– 1994.– Vol. 49, N. 2, p. R990.

2. S.Faetti and L.Fronzoni. Molecular Orientation in Nematic Liquid Crystal Films With Two Free Surfaces//Solid State Com.– 1978.– Vol. 25.– P. 1087.

3. P. Poulin, N. Frances, and O. Mondain-Monval. Suspension of spherical particles in nematic solution of disks and rods//Phys. Rev. E.– 1999.– Vol. 59.– P. 4384.

4. Y. Ch. Loudet, P. Barois, and P. Poulin. Colloidal ordering from phase separation in a liquid- crystalline continuous phase//Nature.– 2000.– Vol.– 407.– P.611.

5. B. I. Lev and P. M. Tomchuk. Interaction of foreign macrodroplets in a nematic liquid crystal and induced supermolecular structures//Phys. Rev. E.– 1999.– Vol. 59.– P. 591.

A. Nych. “Thin Liquid Crystal Films with Degenerated Boundary Conditions”.

Thesis for a Physics and Mathematics candidate’s degree on the speciality 01.04015 Molecular and Liquid Crystal Physics, Institute of Physics, National Academy of Sciences, Ukraine, Kyiv, 2001.

A behavior of thin freely suspended liquid crystal films during transition from isotropic phase to nematic one was studied. We found that in freely suspended 5CB nematic liquid crystal films with positive dielectric anisotropy two stable structures can be realized: structure with homeotropic alignment and structure with planar schlieren texture. It is shown that type of obtained orientation depends on the cooling rate from isotropic to nematic phase transition. For the slow cooling (0.05 C/s) of the nematic film from the isotropic phase to the nematic one the only homeotropic structure is formed. The calculations demonstrates that the free energy of the homeotropic state,J/m2, is smaller than the free energy, J/m2, of planar state or the free energy, J/m2, of the state with double hybrid orientation. So, the texture with homeotropic alignment is energetically more preferable. For the fast cooling (3 C/s), the liquid crystal film will create a number of crystallization centers. Thus, one can expect the existence of domain walls for or surface lines for , where is the extrapolation length. The total energy for the wall is equal to J/m2 and for the surface line is equal to J/m2. In the case of fast cooling, to realize homeotropic alignment, the liquid crystal layer should overcome the defect state that possesses higher free energy than planar state. Because of this, the planar or double hybrid alignment is energetically more preferable and the schlieren texture is dominated. This schlieren texture is stable in all temperature range while nematic phase exists.

Giant shape changing of suspended in liquid isotropic polymer nematic liquid crystal droplets under an action of external AC electric field was found. In our experiments the ZhK-1289 nematic liquid crystal drops with size of 30 to 60 ?m were suspended in polymer composition containing 80% of uretane acrylate and 20% of tetramethyl oxyglicol. We applied 1 kHz electric field to the cell with suspended LC drops and measured elongation of the drops. The cells differed by concentration of ions. As an ionic source we used tetrabutyl ammoniumbromide. Dissociating, these molecules give additional ions. We have investigated the both mechanisms, pure dielectric and conductive when ion concentration increases, of droplet elongation under the action of external electric field. The shape of the deformed drop also changes from elongated ellipsoidal at the dielectric interaction to spindle–like at the conductive one. It is found that droplet deformation in both cases has threshold character. The threshold field at which LC drop becomes unstable and starts to elongate was calculated and obtained result is in good agreement with experimental data.

It was experimentally found that surface tension at interface of the LC–polymer has nonmonotonic behavior with increasing the concentration of ions in the system. The value of surface tension varies to smaller value for low concentration of ion impurities and then demonstrates the growth with further increasing ion concentration. This process can be explained by electrical double layer formation at the droplet–polymer interface.

For the first time a hexagonal structure in a system of glycerol droplets suspended in hybrid liquid crystal film was observed. In our experiment we deposited 5CB nematic film onto purified glycerol layer. At the nematic–air interface orientation of the LC molecules is homeotropic, but at the nematic–glycerol interface is planar. To obtain suspended glycerol droplets this system was heated to 50 єC. We assume that glycerol molecules diffuse into liquid crystal and the efficiency of the diffusion becomes higher for the higher temperature. Decreasing the temperature, one can observe effective condensation and a growth of glycerol droplets. The crystal structure made of glycerol droplets becomes well distinguished approximately after 4 h the room temperature was achieved. It was shown that equilibrium distribution of the drops is governed by their interaction via elastic director deformation field. It is known that to form the stable crystal structure both attractive and repulsive interactions are needed. According to our model the long–range attractive force has а dipolar and short–range repulsive force has а quadrupolar nature. Such combination arises from the fact, that director field around the glycerol drop has neither cylindrical nor spherical symmetries. Measured dependencies of the hexagonal lattice period vs. droplet size confirm our model.

Keywords: liquid crystal, degenerated boundary conditions, emulsion, director distribution.

А.Б. Ныч. “Тонкие пленки жидких кристаллов с вырожденными граничными условиями”.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико–математических наук по специальности 01.04.15 – физика молекулярных и жидких кристаллов. Институт физики Национальной Академии Наук Украины, Киев, 2001.

Показано, что в свободноподвешенных пленках жидкого кристалла 5ЦБ наблюдается две стабильных текстуры: гомеотропная и планарная шлирен–текстура. Установлено, что тип ориентации в пленках изменяется в зависимости от скорости охлаждения пленки с изотропной фазы в нематическую. Проведено теоретический анализ иерархии структур в свобоноподвешенной пленке нематического жидкого кристалла.

Обнаружено гигантское изменение формы капель нематического жидкого кристалла, взвешенных в жидком изотропном полимере, под действием внешнего переменного электрического поля. Установлено, что при диэлектрическом характере взаимодействия деформированная капля имеет форму вытянутого эллипсоида, а при проводящем характере взаимодействия — веретенообразную форму. Рассчитана величина критического поля, при котором капля начинает деформироваться. Экспериментально обнаружено немонотонность изменения коэфициента поверхностного натяжения на границе жидкий кристалл–полимер с ростом концентрации ионов.

Впервые экспериментально наблюдалась гексагональная структура в системе капель глицерина, взвешенных в пленке нематического жидкого кристалла с гибридной ориентацией директора. Полученные экспериментальные данные по зависимости периода гексагональной структуры от размера капель подтверждают предложенную модель взаимодействия капель.

Ключевые слова: жидкий кристалл, вырожденные граничные условия, эмульсия, распределение директора.

А.Б. Нич. “Тонкі плівки рідких кристалів з виродженими граничними умовами”.

Дисертація на здобуття наукового ступня кандидата фізико–математичних наук за спеціальністю 01.04.15 – фізика молекулярних та рідких кристалів. Інститут фізики Національної Академії Наук України, Київ, 2001.

Показано, що у вільнопідвішених плівках нематичного рідкого кристалу 5ЦБ спостерігаються дві стабільні текстури: гомеотропна та планарна шлірен–текстура. Встановлено, що тип орієнтації у плівках змінюється залежно від швидкості охолодження плівки з ізотропної фази до нематичної. Проведено теоретичний аналіз ієрархії структур у вільнопідвішеній плівці нематичного рідкого кристалу.

Виявлено гігантську зміну форми крапель нематичного рідкого кристалу, завислих у рідкому ізотропному полімері, при дії зовнішнім змінним електричним полем. Встановлено, що при діелектричному характері взаємодії деформована крапля має форму витягнутого еліпсоїда, а при провідному характері взаємодії крапля набуває веретеноподібної форми. Розраховано величину критичного поля, при якому крапля починає деформуватися. Експериментально виявлено немонотонність зміни коефіцієнта поверхневого натягу на межі рідкий кристал–полімер із зростанням концентрації іонів.

Вперше експериментально спостерігалась гексагональна структура у системі крапель гліцерину, завислих в нематичній плівці з гібридною