ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ............................................................5
ГЛАВА 1. ОПИСАНИЕ СТРУКТУРНЫХ И ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КАПСУЛИРОВАННЫХ ПОЛИМЕРОМ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ
1.1. Классификация термотропных жидких кристаллов..................11
1.2. Упругие свойства нематических жидких кристаллов...............15
1.3. Упорядочение нематических жидких кристаллов
1.3.1. Обработка опорных поверхностей.........................16
1.3.2. Упорядочение электрическим или магнитным полями.
Эффект Фредерикса.......................................19
1.4. Локальный переход Фредерикса..................................21
1.5. Композитные жидкокристаллические материалы....................25
1.6. Капсулированные полимером нематические жидкие кристаллы 26
и методы их приг отовления
1.6.1. Эмульгирование.........................................26
1.6.2. Технологии фазового разделения.........................27
1.7. Конфигурации директора в каплях нематических жидких
кристаллов....................................................29
1.8. 11ерсход Фредерикса в каплях нематика.........................34
1.8.1. Биполярные капли нематика..............................35
1.8.2. Радиальные капли нематика..............................38
1.9. Постановка цели и задач исследования..........................39
ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ КОМПОЗИТНЫХ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК
2.1. Выбор материалов и их характеристики
2.1.1. Нематические жидкие кристаллы..........................40
2.1.2. Полимеры...............................................40
2.1.3. Пластификатор..........................................42
2.1.4. Сурфактанты............................................43
2.2. Приготовление композитных пленок..............................44
2.3. Методика исследования оптических текстур капель нематических жидких кристаллов и их трансформаций под действием электрического поля...........................................45
2.4. Методика численного расчета ориентационной структуры и
оптической текстуры капель нематика...........................47
2.5. Методика исследования динамики оптического отклика капсулированных полимером жидкокристаллических
пленок при управлении постоянным электрическим полем..........50
ГЛАВА 3. ОПТИЧЕСКИЕ ТЕКСТУРЫ И ОРИЕНТАЦИОННЫЕ СТРУКТУРЫ КАПЕЛЬ НЕМАТИКА ДЛЯ ПРЯМОГО РЕЖИМА ИОННОЙ МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТНОГО СЦЕПЛЕНИЯ
3.1. Описание принципа электроуиравляемой модификации фаничных условий в каплях нематика, допированного
ионным сурфактантом. Прямой режим.............................52
3.2. Трансформация ориентационной структуры капсулированных
в иоливинилбутирале капель жидкого кристалла, допированного ионным сурфактантом......................................54
3.2.1. Переход биполярной конфиг урации в монополярную........54
3.2.2. Переход биполярной конфигурации в наклонную монополярную...................................................59
3.3. Ориснтационно-сгруктурные превращения в каплях жидкого кристалла, допированного ионным сурфактантом и
диспергированного в поливиниловом спирте......................61
3.3.1. Переход биполярной конфшурации в монополярную с
кольцевым дефектом.......................................62
3
3.3.2. Трансформация биполярной конфигурации с образованием дополнительного линейного дефекта и кольцевой поверхностной дисклинации...............................68
3.3.3. Образование в биполярной структуре кольцеобразного дефекта...........................................................72
ГЛАВА 4. ОПТИЧЕСКИЕ И СТРУКТУРНЫЕ СВОЙСТВА КАПЕЛЬ НЕМАТИЧЕСКОГО ЖИДКОГО КРИСТАЛЛА ДЛЯ ИНВЕРСНОЙ МОДЫ ЭФФЕКТА ИОННОЙ МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХIЮСТНОГО СЦЕПЛЕНИЯ
4.1. Особенности реализации эффекта электроуправляемой ионной модификации поверхностного сцепления в
инверсном режиме..............................................76
4.2. Трансформация оптических текстур и ориентационных структур в каплях нематика в инверсном режиме ионносурфактантного метода...............................................77
4.2.1. Переход радиальной конфигурации в структуру, имеющую точечный поверхностный дефект-буджум и поверхностный кольцевой дефект................................78
4.2.2. Переход радиальной конфигурации в структуру, имеющую объемный дефект-еж, точечный поверхностный дефект-буджум и поверхностный кольцевой дефект...........84
4.2.3. Переход радиальной конфигурации в структуру,
имеющую дефект-еж и поверхностный кольцеобразный дефект 87
4.2.4. Условия реализации различных сценариев переходов.......91
4.3. Управление светопропусканием капсулированной полимером жидкокристаллической пленки за счет
эффекта ионной модификации поверхностного сцепления...........95
РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ........................................100
ЛИТЕРАТУРА........................................................102
4
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы
Капсулированные полимером жидкие кристаллы (КПЖК) - материалы, сочетающие в себе полезные свойства полимеров (механическую прочность, гибкость) и жидких кристаллов (анизотропия свойств, высокая чувствительность к внешним воздействиям) [Жаркова Г.М., Сонин A.C. Жидкокристаллические композиты. - Новосибирск: Наука, 1994.]. Они представляют собой полимерную пленку с диспергированными в ней каплями жидкого кристалла (ЖК). Макроскопические оптические свойства КПЖК пленок зависят от ориентационной структуры в каплях ЖК, изменяя которую можно контролировать и оптические характеристики всей пленки. Существуют два подхода к управлению ЖК структурами. Первый из них основан на классическом эффекте Фредерикса, суть которого состоит в том, что внешним электрическим или магнитным полем изменяют ориентацию молекул ЖК в объеме ячейки, при этом поверхностное сцепление молекул ЖК с подложкой остается неизменным. После выключения поля ЖК возвращается в исходное состояние за счет упругих сил, возникающих при искажении поля директора. Эффект Фредерикса лежит в основе функционирования всех современных электрооп-тических ЖК устройств. Однако опыт их использования выявил ряд ограничений, характерных для данного подхода. Так, например, вследствие обратно пропорциональной зависимости напряженности порогового поля от размеров ЖК полости этот метод неэффективен в приложении к субмикро- и нано-размерным ЖК структурам.
Второй подход основан на управляемой модификации поверхностного сцепления на границе раздела ЖК - подложка (локальный переход Фредерикса). В этом случае внешнее воздействие вначале изменяет ориентацию молекул жидкого кристалла в приграничном слое, что затем ведет к переориентации всего объема ЖК. После снятия внешнего воздействия граничные
5
условия и структура ЖК могут вернуться в исходное состояние. Поскольку данный подход базируется на принципиально ином механизме переориентации, то его развитие может- открыть новые перспективы для создания ЖК материалов с улучшенными характеристиками и расширенными функциональными возможностями.
Впервые локальный переход Фредерикса наблюдался для плоского слоя нематика [Ryschenkow G., Kleman М., J. Chem. Phys., 1976, 64, 404], где в качестве внешнего фактора выступало изменение температуры. Инициировать изменение межфазной границы может также ультрафиолетовое излучение. Данный эффект наблюдается при использовании специальных фоточув-ствительиых материалов в качестве ориентирующего покрытия или добавки к ЖК. Однако с практической точки зрения наиболее интересны методы управления с применением электрического поля. Такой способ был недавно реализован в [Komitov L., J. Soc. Info. Display, 2003, 11/3, 437], где в качестве ориентирующего покрытия использовался сегнетоэлектрический жидкокристаллический полимер. В капельных ЖК дисперсиях локальные переходы Фредерикса менее изучены. В работе [Воловик Г.Е., Лаврснтович О.Д., ЖЭТФ, 1983, 85, 1997] наблюдалась термоиндуцированная модификация граничных условий. Исследования по электроуправняемому изменению граничных условий в каплях ЖК ранее не проводились.
Использование поверхностно-активных веществ (сурфактантов) может приводить к изменению граничных условий. В данном случае имеет место концентрационная зависимость ориентирующей способности сурфактантов, что для капельных дисперсий нематика продемонстрировано в [Prishchepa
О.О., Shabanov A.V., Zyryanov V.Ya., Письма в ЖЭТФ, 2004, 79, 315; Phys. Rev. E., 2005, 72, 031712], где наблюдалось формирование неоднородного поверхностного сцепления. Однако в этом случае граничные условия формировались в процессе образования капель ЖК и в дальнейшем оставались неизменными. Ионные сурфактанты для электроуправляемого измене-
6
ния граничных условий в каплях ЖК, так же, как и в чистых слоях, ранее не использовал и с ь.
Цель работы и задачи исследования
Целью работы являлось исследование трансформаций оптических текстур и конфигураций директора в каплях нематика, допиронанного ионным сурфактантом, под действием постоянного электрического поля.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Оптимизировать методику приготовления, состав и структуру пленочных образцов капсулированных полимером нематических жидких кристаллов, допированных ионными сурфактантами.
2. Исследовать оптические текстуры и конфигурации директора в каплях нематика методами поляризационно-оптической микроскопии и компьютерного моделирования.
3. Изучить изменения граничных условий и взаимопревращения ориентационных структур в каплях нематика, допированного ионным сурфактантом, под действием постоянного электрического ноля.
4. Рассмотреть возможность использования исследуемых композитных пленок в качестве электрооптического материала.
Научная ценность и новизна
1. Обнаружен и исследован эффект электроуправляемой модификации поверхностного сцепления на границе раздела нематик - полимер, обусловленный локальным изменением концентрации ионных сурфактантов.
2. Показано, что модификация межфазной границы приводит к существенной трансформации исходных конфигураций директора в каплях нематика. Рассмотрены основные типы наблюдаемых структурных превращений.
7
3. Выявлены новые ориентационные структуры, формирующиеся в исследуемых каплях ЖК в результате воздействия постоянного электрического поля, приведен!,[ их характерные тексту рные картины.
Практическая значимость
1. Разработан новый метод управления жидкими кристаллами, основанный на модификации поверхностного сцепления ионными сурфактантами под действием постоянного электрического поля.
2. На примере одного из образцов исследуемого материала продемонстрирована возможность использования данного подхода для модуляции интенсивности светового излучения.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту
1. В каплях нематика, допированного ионообразующим сурфактантом и капсулировапного в полимерной матрице, под действием постоянного электрического поля может происходить локальное изменение граничных условий. В зависимости от концентрации сурфактанта наблюдаются прямой и инверсный режимы ионной модификации межфазной Капицы.
2. Прямой режим реализуется при низкой концентрации ионного сурфактанта, при этом в исходном состоянии капли нематика имеют однородное тангенциальное сцепление и биполярную конфигурацию директора. При воздействии постоянного электрического поля в зависимости от его направления относительно биполярной оси формируются ориентационные структуры с неоднородными граничными условиями: моно-полярная конфигурация; наклонная монополярная конфигурация; монополяр! 1ая конфигурация с кольцевым поверхностным дефекгом, биполярная структура с линейным и кольцевым поверхностным дефектами; биполярная структура с кольцеобразным поверхностным дефектом.
8
3. Инверсный режим реализуется при высокой концентрации ионного сурфактанта, в этом случае исходной структурой капель нематика является радиальная конфигурация директора. Под действием постоянного электрического поля могут сформироваться: структура с буджумом и поверхностным кольцевым дефектом; структура с буджумом, ежом и поверхностным кольцевым дефектом; структура с ежом и поверхностным кольцеобразным дефектом.
4. Процесс трансформации ориентационных структур имеет пороговый характер, а при достижении определенной величины электрического поля выходит на насыщение.
5. Разработанные композитные пленки можно использовать в качестве электрооптического материала для модуляции интенсивности светового излучения.
Апробация работы
Результаты диссертационной работы представлялись, докладывались и обсуждались на Конференции студентов, аспирантов и молодых ученых-физиков НКСФ-XXXVI (Красноярск, 2007); 12tl1 International Topical Meeting on Optics of Liquid Crystals (Puebla, Mexico, 2007); 16 Международном симпозиуме «Перспективные дисплейные технологии» (Логойск, Беларусь, 2008); Конкурсе-конференции молодых ученых Красноярского научного центра (Красноярск, 2008); 22ntl International Liquid Crystals Conference ILCC-2008 (Jeju, Korea, 2008); IV Всероссийской конференции «Физико-химические процессы в конденсированных средах и на межфазных границах ФАГРАН-2008» (Воронеж, 2008); XIII Национальной конференции по росту кристаллов НКРК-2008 (Москва, 2008); Всероссийском семинаре «Физикохимия поверхностей и наноразмерных систем» (Москва, 2009); VII Международной научной конференции по лиотропным жидким кристаллам и наноматсриалам
9
- Київ+380960830922