РОЗДІЛ 2
ФЛУКТУАЦІЙНА ШАРОВА СТРУКТУРА НЕМАТИЧНИХ РІДКИХ КРИСТАЛІВ ТА ІНДУКОВАНИХ ХОЛЕСТЕРИКІВ
2.1. Вплив магнітного поля на структуру нематичних рідких кристалів та індукованих холестериків
Нематичні рідкі кристали відносяться до діамагнітних речовин, і за рахунок анізотропії магнітної сприйнятливості під дією магнітного поля на рідкий кристал його молекули розташовуються паралельно до напрямку індукції магнітного поля. Враховуючи, що енергія взаємодії окремої молекули з магнітним полем має мізерне значення (приблизно в 106 разів менша, ніж теплова енергія), окрема молекула не змогла б орієнтуватися магнітним полем, оскільки ця орієнтація руйнувалася б тепловою дією. Тому, враховуючи, що нематичні рідкі кристали добре орієнтуються магнітним полем, слід припустити, що поле діє на надмолекулярні утворення або агрегати молекул, які утворюють псевдосмектичні шари. Наявність локального смектичного впорядкування в нематичних рідких кристалах було незаперечно доведено на основі їх досліджень методом розсіювання рентгенівських променів [28-32].
Таким чином, орієнтуючий вплив магнітного поля обумовлюється його дією на шарову структуру нематика. Зовнішнє магнітне поле змінює надмолекулярну структуру нематика, і цей процес приводить до росту розмірів та форми надмолекулярних утворень [33]. В загальному випадку структуру нематичного рідкого кристала можна уявити як досить динамічну систему, що являє собою певну кількість молекул нематичного рідкого кристала, об'єднану в шари певних розмірів та форми з деякою кількістю окремих молекул. За рахунок дисперсної взаємодії та стеричних факторів з одного боку та теплової дії з іншого, відбувається процес виникнення та розпаду шарових утворень. Накладання магнітного поля зумовлює зсув цього процесу в сторону утворення шарових структур з більшими розмірами, причому може змінюватися і форма цих шарів, і їх розташування, по відношенню до напрямку дії зовнішнього магнітного поля.
Так в нематику утворюється пряма або скошена сиботактична структура. Зміна локального смектичного впорядкування в нематичному рідкому кристалі під дією магнітного поля повинна вплинути на параметри розсіювання рентгенівських променів.
Покажемо характер зміни структури нематичного рідкого кристала на прикладі нематика - n-гексилоксифенілового ефіру n-бутоксибензойної кислоти. На рис.2.1 наведено залежність кореляційної довжини від напруженості зовнішнього магнітного поля при фіксованій температурі.
Рис. 2.1. Залежність поздовжньої кореляційної довжини від напруженості магнітного поля для нематичного рідкого кристала n-гексилоксифенілового ефіру n-бутоксибензойної кислоти (2) та індукованих холестериків на основі даної нематичної матриці з домішками ефірів холестерину 1- холестерилміристат; 3- холестерилпропіонат (концентрація 0,3 ваг.%).
По мірі зростання напруженості поля кореляційна довжина зростає, і при певному значенні поля на цій залежності спостерігається насичення. Таким чином, характер впорядкованості структури нематика залежить від напруженості поля. Подальші дослідження проводилися для полів, більших ніж поля насичення.
На рис. 2.2 показана залежність кореляційної довжини від температури для двох випадків, а саме, для неорієнтованого стану і стану, коли орієнтація здійснюється магнітним полем. У всьому температурному інтервалі існування мезофази кореляційна довжина більша для орієнтованого зразка, а інтенсивність процесу впорядкування є вищою в магнітному полі.
Рис.2.2. Температурна залежність кореляційної довжини для n-гексилоксифенілового ефіру n-бутоксибензойної кислоти (1 - при нагріванні без орієнтації; 2 - при охолодженні зразка в магнітному полі; 3 - при охолодженні без орієнтації).
Аналогічна ситуація спостерігається і для індукованих холестериків. Розглянемо для прикладу суміші n-гексилоксифенілового ефіру n- каприлоксибензойної кислоти з домішкою 0,3 % холестерилпропіонату та холестерилмірістату (рис.2.3) [34,35]. При введенні в нематичну матрицю холестерилмірістату форма надмолекулярного утворення не змінюється - на фоторентгенограмі спостерігаємо рефлекси у вигляді "чотириточки". Індукованому холестерику притаманна скошена сиботактична структура. Таким чином, при введенні холестеричної домішки флуктуаційна шарова структура матриці не зазнає змін з точки зору форми надмолекулярних утворень, однак збільшення кореляційної довжини та інтенсивності розсіювання свідчить про подальше впорядкування структури.
При створенні спіральної структури в нематичній матриці за рахунок холестерилпропіонату форма малокутового рефлексу змінюється, а саме, "чотириточка" розмивається, при цьому дещо зменшується кореляційна довжина та падає інтенсивність розсіювання. Молекули холестеричної речовини розупорядковують структуру нематичної матриці.
Рис.2.3. Залежність поздовжньої кореляційної довжини від напруженості магнітного поля для нематичного рідкого кристала n-гексилоксифенілового ефіру n-каприлоксибензойної кислоти (2) та індукованих холестериків на основі даної нематичної матриці з домішками 0,3% ефірів холестерину ( 1- холестерилпропіонат; 3- холестерилміристат).
Залежність кореляційної довжини від напруженості магнітного поля для індукованих холестериків аналогічна нематичним рідким кристалам, однак значення величини поля, при якому ця залежність виходить на насичення, зміщується в сторону більших полів. Це може пояснюватися тим, що частина енергії магнітного поля витрачається на розкручування індукованої спіралі, а друга частина - на орієнтацію, що вимагає для досягнення максимальної орієнтуючої дії більшої величини магнітних полів.
2.2. Малокутове рентгенівське розсіювання в нематичних рідких кристалах та сумішах нематичних рідких кристалів
Розглянемо результати рентгенографічних досліджень сумішей нематичних рідких кристалів на основі слабополярних речовин. Прикладом таких речовин можуть служити рідкі кристали, які являють собою суміші на основі азоксисполук (ЖК-440) та на основі фенілбензоатів
- Київ+380960830922