ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
стр.
...4
ГЛАВА 1. ОБЗОР ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ В ОСЦИЛЛИРУЮЩЕМ ПОТОКЕ НЕМАТИЧЕСКОГО ЖИДКОГО ■ КРИСТАЛЛА, ОРИЕНТИРОВАННОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ.
1.1. Процессы переориентации нематиков в осциллирующем потоке 7
1.2. Воздействие электрического поля на ориентационную структуру жидкого кристалла............................................24
1.3. Комбинированное воздействие осциллирующего потока и электрического поля на структуру нематического жидкого кристалла....................................................37
1.4. Постановка задачи и выбор метода исследования...........41
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ. <
2.1. Блок-схема и основные требования, предъявляемые к экспериментальной установке для изучения оптических свойств
2.2. Жидкокристаллическая ячейка с сегментными электродами и выбор
2.4. Контрольные измерения и оценка погрешностей эксперимента.62
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЫЛЛХ ИССЛЕДОВАНИЙ ОСЦИЛЛИРУЮЩЕГО ПОТОКА НЕМАТИКА В ПРИСУТСТВИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ.
3.1. Стабилизирующее влияние электрического поля на динамический
жидкого кристалла.
44
объекта исследования
2.3. Методика измерений..
52
56
-3-
ч
оптический отклик жидкого кристалла, индуцированный переменным потоком................................................ 73
3.2. Временные зависимости разности фаз оптического сигнала при вариации амплитуды и управляющего напряжения^
3.2.1. Методика расчета разности фаз оптического сигнала при вариации параметров внешних воздействий............................. 85
3.2.2. Зависимость разности фаз от параметров потока и поля 89
3.2.3. Особенности динамического поведения разности фаз при различных условиях эксперимента............................100
3.3. Оптический отклик жидкого кристалла в условиях сильного течения....................................................105
ГЛАВА 4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕЧЕНИЯ
НЕМАТИКА В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ.
4.1. Постановка задачи об осциллирующем течении нематика, ориентированного электрическим полем...............119
4.2. Воздействие осциллирующего потока на ориентацию и оптические свойства гомеогропного слоя нематика в отсутствии электрического поля.......................................................123
4.3. Комбинированное воздействие осциллирующего потока и электрического поля на ориентацию и оптические свойства гомеотропного слоя нематика................................131
4.4. Ориентационные изменения структуры нематика в условиях воздействия интенсивного течения и электрического ПОЛЯ 145
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ...................................163
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРАКТИЧЕСКОМУ ИСПОЛЬЗОВАНИЮ
РЕЗУЛЬТАТОВ...................................................164
ЛИТЕРАТУРА....................................................166
ПРИЛОЖЕНИЕ....................................................174
ч
ВВЕДЕНИЕ
Интенсивное развитие технических средств отображения, хранения и обработки информации требует постоянного совершенствования их характеристик, в частности, за счет использования уникальных физических свойств некоторых материалов в качестве рабочих тел данных устройств [1-5 ].
К таким материалам относятся жидкие кристаллы (ЖК) - органические соединения, сочетающие в себе подвижность обычных жидкостей и присущую кристаллам анизотропию физических свойств, и проявляющие высокую чувствительность к механическим воздействиям и внешним полям [3, 12]. В частности, это свойство положено в основу некоторых способов [54, 59-62] и устройств широкого назначения [78], позволяющих регистрировать малые перепады давления.
Ориентация потоком является фундаментальным свойством, присущим нематическим жидким кристаллам [4]. В проведенных ранее исследованиях установлено, что в потоках нематиков наблюдается ряд специфических эффектов, не имеющих аналогов в потоках изотропных жидкостей. Это, в частности, относится к образованию диссипативных пространственных структур различного типа в условиях далеких от равновесия [48].
К наименее исследованным с экспериментальной точки зрения относятся нестационарные потоки нематиков, возникающие под действием периодических возмущений. Среди них осциллирующие течения Пуазейля - практически не исследованы, за исключением единичных работ. При этом эксперименты в осциллирующих потоках проводились, как правило, в отсутствие управляющих полей, которые могут оказывать эффективное воздействие на структуру и динамику жидких кристаллов.
Вместе с тем использование полей, особенно электрического поля, перспективно с точки зрения создания высокочувствительных жидкокристаллических датчиков механических колебаний с управляемыми
-5-
характерисшками. Как известно, электрическое поле оказывает ориентирующее влияние на ЖК и поэтому может изменить его чувствительность к механическим воздействиям. В зависимости от знака анизотропии диэлектрической проницаемости (Ас) исходных граничных условий, электрическое поле может являться стабилизирующим или дестабилизирующим фактором. С практической точки зрения наибольший интерес представляет использование жидких кристаллов с высоким значением Де, необходимым для эффективного изменения оптический свойств ЖК при малых управляющих напряжениях. Этим условиям удовлетворяют синтезированные к настоящему времени жидкокристаллические смеси промышленного назначения с положительным знаком Де (величина данного параметра может достигать -Юч-15).
Следует также отметить, что в ЖК с Де>0 не наблюдается ЭГД неустойчивостей при умеренных управляющих напряжениях, что упрощает решение задачи об их поведении под действием полей и потоков.
Кроме прикладного значения, исследования ЖК в условиях комбинированного воздействия осциллирующих сдвиговых течений и полей представляют несомненный научный интерес. Во-первых, актуальной является задача экспериментальной проверки выводов существующей гидродинамической теории в линейном режиме отклонения ориентации от исходного состояния, вызванного переменным потоком, включая количественное сравнение теории с экспериментом. Известно, что в этом случае определенную роль может играть нежесткость сцепления директора с ограничивающими поверхностями, которую достаточно трудно оценить, в связи с противоречивостью информации о энергии поверхностного сцепления [5]. Кроме того, при комбинированном воздействии потока и электрического поля возможно проявление неэквивалентности влияния электрических и магнитных полей на структуру ЖК, особенно в случае высоких значений Де [3]. Во-вторых,
-6-
прсдставляет интерес экспериментальное определение границ применимости
линейного приближения при вариации условий эксперимента.
/
Наконец, актуальной, как с точки зрения теории, так и практических приложений, является задача исследования динамических процессов в ЖК в условиях, далеких от равновесия, где возможно образование различных диссипативных структур [48], а также влияние на эти процессы стабилизирующего электрического поля.
В связи с этим, основной задачей представленной работы являлось исследование осциллирующего потока Пуазейля, вызванного приложенным к гомеотропному слою нематического жидкого кристалла знакопеременного перепада давления при дополнительном стабилизирующем воздействии электрического поля.
•г
-7-
ГЛАВА 1. ОБЗОР ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ В ОСЦИЛЛИРУЮЩЕМ ПОТОКЕ НЕМАТИЧЕСКОГО ЖИДКОГО КРИСТАЛЛА, ОРИЕНТИРОВАННОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ.
1.1. Процессы переориентации нематиков в осциллирующем потоке.
Изучение разнообразных физических эффектов в жидких кристаллах началось еще в первой половине прошлого столетия. До настоящего времени было исследовано и теоретически разработано огромное количество физических явлений, происходящих в этих веществах. По данным проведенных работ было опубликовано большое количество монографий [1-13] и оригинальных статей.
Большинство специфических эффектов в жидких кристаллах (ЖК)
зависят от их упругих и вязкостных парамегров. При этом направление
—>
преимущественной ориентации молекул определяет директор п [4]. В свою очередь на ориентацию директора оказывает влияние воздействие внешних факторов: электрического поля, сдвигового течения и т.д.
Схематично основные типы экспериментов по воздействию сдвиговых течений на ориентационную структуру нематических жидких кристаллов (НЖК) и условий их реализации приведены в таблице 1.1. Кроме того, следует упомянуть многочисленные работы, посвященные исследованиям вязкостных свойств в потоках ЖК [13], а также акустоогггических эффектов [5].
В данной работе затронута лишь часть изученных на сегодняшний день эффектов, наиболее близко относящихся к теме диссертации.
Таблица 1.1.
Основные типы экспериментов по воздействию сдвиговых течений на ориентационную структуру МЖК.
№ работы в списке лит-ры Тип течения Ориентация Вид работы (эксперимент, теория) Наличие поля электрического, магнитного жк Домолнтельныс сведения об эксперименте
16 Простого сдвига (радиальное) гомеотропная эксперимент поле отсутствует МББА Толщина -50-*-500мкм
19 Пуазсйлевский поток «и границе -наклонная эксперимент + теория магнитное МББА Толщана - 200 мкм, частота- 8 кі ц
21 Куэтовское цилиндр. гомеотропная эксперимент + теория поле отсутствует ГБАБ ЦБООА Толщина- 2т 10 мкм
23 Простого сдвига планарная в плоскости потока и перпендикулярно ей эксперимет- + теория поле отсутствует ІДБООА <х3<0(Т = 94°С) а?> 0 (Т ■= 77°С)
25 Пуазейлевское (радиальное) (смотри рис. 1.1) гомеотропная эксперимент в отсутствии и при наличии магнитного поля МББА Толщина45т200мкм Давление -0.1-г 10мм НгО
30 Простого сдвига (эллиптич.) (смотри рис. 1.2) гомеотропная эксперимент + теория ноле отсутствует МББА Толщина -100 мкм, частота-500т3000Г'ц
49 Простого едвиїа, вызванные ультразвуком неориентированный слой эксперимент пате отсутствует Н-8 (смесь МББА и ЭББА) Частота-200т5000Г ц толщина - ЮО.мкм
55 Простого сдвига гомеотропная эксперимент + теория в отсутствии полей ЭББА, 7 ЦБ Частота-1 ОтбООГ ц
Рис. 1.1. Явление интерференции необыкновенного и обыкновенного лучей при Пуазейлевском радиальном течении [25].
Рис. 1.2. Геометрия эллиптического течения простого сдвига [30].
С теоретической точки зрения, наибольшее внимание уделялось течению просл ого сдвига при специфических граничных условиях (директор на границах нормален ч плоскости потока), так как в этом случае возникновение неустойчивости формально аналогично переходу 2-го рода от невозмущенного
-10-
состояния к возмущенному. Проведенный в рамках линейной теории [19, 28] нормальных мод анализ выявил для этого вида граничных условий возможность существования двух типов неустойчивостей. Однородная неустойчивость описывается решениями вида:
где пх,п2,Уу - соответствующие компоненты флуктуаций директора и скорости. На рис. 1.3 показана схема, иллюстрирующая природу возникновения этой неустойчивости. Если в некоторый момент времени возникла флуктуация п2 )0, то существующий в жидкости поток вызывает появление момента вязких сил Г2=-а2ип2, действующего на директор (смотри рис. 1.3а), где и= Ух® / Ъ - величина сдвига, зависящая от скорости течения и координаты, а Оі - материальные коэффициенты. Этот момент пропорционален п2 и
положителен при условии а2< 0, которое вытекает из термодинамических и геометрических соображений. Момент Гг приводит к повороту директора в результате которого возникает малая дезориентация Йх)0. Вследствие этого поток вызывает появление момента вязких сил Гх=ос3Шх, знак которого определяется знаком коэффициента а3 (смотри рис. 1.36). Если а3< 0, то момент вязких сил Гх< 0 вызывает такое вращение директора, что первоначальная флуктуация возрастает (п2)0). Это приводит к появлению неустойчивости. Если же <хз> 0, то первоначальная флуктуация гасится и система устойчива относительно данного механизма. В действительности, эти дестабилизирующие моменты вязких сил, должны превосходить стабилизирующие моменты, создаваемые силами упругости Франка. Дестабилизирующий механизм усиливается вследствие быстрого отклика поля скоростей на изменение ориентации.
йх(г> (^» 0 ~ ^х(г) (2) ехр(іо> 1) Уу(г,і)= Уу(г)ехр(іо°0
(1.1)
(1.2)
-11-
Цилиндрическая неустойчивость описывается решениями вида:
Ш0(У,2,1) = ’^аехр[1(Чу ■У + qz -г + юЧ)] (1.3)
где \Уа = {йх,п2,^у,^х,^2,й (1-4)
Эта неустойчивость возникает вследствие сложного взаимодействия сдвигового потока, неоднородной деформации поперечного изг иба директора и внешних полей. Механизм ее образования показан на рисунке 1.4. Деформация поперечного изгиба ЙХ(У) вызывает сдвиговый поток в направлении ОЪ, который, в свою очередь, создает дестабилизирующий момент вязких сил Гх (смотри рис. 1.4а). Деформация поперечного изгиба й2(У) вызывает сдвиговый
поток в направлении ОХ, такой, что создаваемый им момент вязких сил Г2<0 (смотри рис. 1.46) является стабилизирующим. Неустойчивость возникает в результате комплексного взаимодействия механизмов, изображенных на рисунках 1.3 и 1.4.
Рис. 1.3. Механизм образования однородной неустойчивости.
ч
- 12-
Рис. 1.4. Механизм образования цилиндрической неустойчивости.
В работе [53] изучались распределения по толщине и длине слоя отклонений директора НЖК, индуцированных низкочастотным акустическим воздействием. В экспериментах использовалась гомеотропная ориентация НЖК. При этом были измерены: а)фазовая задержка светового луча, проходящего нормально к гомеотропно ориентированному слою НЖК в зависимости от акустического давления и от позиции вдоль плоскости капилляра; б)угол полного внутреннего отражения на границе гомеотропно ориентированного НЖК со стеклом. При этом, для приграничных слоев (сЫ).2мкм) проводились также измерения степени эллиптичности света, отраженного от данной границы при углах, больших угла полного внутреннего отражения, при наложении на образцы акустического давления. Схемы установок для измерения этих характеристик представлены на рис. 1.5а и 1.56.
-13-
Рис. 1.5. Схемы установок для измерения характеристик НЖК: а-измерение амплитуды фазовой задержки в зависимости от акустического давления Р и от позиции Ьх вдоль плоского капилляра; б -измерение уї ла полного внутреннего отражения; 1-Не-Ые- лазер, 2 - поляризатор, 3 - жидкокристаллическая ячейка, 4 - координатный столик, 5 - анализатор, 6 - фотоприемиик, 7 - компенсатор Сенармона.
Во всех случаях периодическое давление вдоль оси X вызывает Пуазейлево течение жидкого кристалла со смещением £х, и скоростью 4Х > зависящими от Ъ и от X. Это течение в свою очередь вызывает изменение ориентации директора НЖК, характеризуемого углом 0(2,X) (смотри рис.1.6.). Толщина сформированного капилляра с НЖК составила от 5 до 60 мкм, при этом он располагался горизонтально. Акустическое давление подавалось в капилляр через патрубок, соединенный с динамиком через звуковод, возбуждаемым от звукового генератора напряжением от 0 до 4 В. Длина звуковода и частота генератора (£=57 Гц) подбирались для обеспечения максимального звукового давления Рт с использованием акустического резонанса (Рт=12кПа).
Рис. 1.6. Схематическое изображение параболического профиля скоростей
(1) и распределения директора по толщине жидкого кристалла в случае слабой связи. (2, 3).
Расчет амплитуды индуцированной фазовой задержки Д8т , необходимой
для последующего определения амплитуды угла отклонения директора Gm(Z)
•»
осуществляется по формуле:
I = 10 sin2(A8m /2) (1.5)
где I - эффективное значение интенсивности прошедшего света на удвоенной частоте модуляции (20 для ячейки, находящейся между скрещенными поляроидами, а 1о - эффективное значение интенсивности света, пропущенного при фазовой задержке, достигающей значения л/2.
г
Угол ориентации директора на границе со стенкой 0‘ рассчитывается по углу полного внутреннего отражения <рс:
sin<pe =(iij2 cos2 0s + n2 sin2 9s) /N (1.6)
где Пц и nj. - показатели преломления НЖК для направлений, соответственно параллельного и перпендикулярного директору, а угол 0s отсчитывается от нормали к слою.
-15-
В рассматриваемой работе были поставлены две теоретические задачи: а) объяснение результата, состоящего в наблюдении затухания акустически индуцируемой деформации директора с координатой X; б) расчет профиля угла 0(Х) по толщине слоя при Х-»0, согласующийся со всеми экспериментальными данными, и определение энергии сцепления гомеотропно ориентированного НЖК с твердой стенкой.
Система уравнений, необходимых для решения первой задачи, в геометрии, показанной на рис. 1.6, выглядит следующим образом:
Здесь р, с - плотность и скорость звука; а2, а4, а5 - коэффициенты вязкости Лесли [14], и Р - смещение и давление в слое, обозначает частную
Далее авторами статьи рассматривается случай для диапазона часгот со, где длина вязкой волны в НЖК много больше, а ориентационной - много меньше толщины слоя. В этом случае рассмотренная система упрощается, а поставленная задача разбивается на две: гидродинамическую - о течении вязкой сжимаемой жидкости по плоскому капилляру, и ориентационную - об искажении поля директора в заданном гидродинамическом потоке. Первая задача сводится к решению системы уравнений :
Р*х -~Р,х +0і(а4 + а5)£Х22 +О-5а2(0-£х,г)>2 у10 + а24х,г + К33в22 =0
(1.7)
производную от и по X. Эта система получена в предположении, что 0 «1, £х.у=0, 0у=О, 4у=0, Р(Х,Х,г)=Р(Х), £х7>Чхд, 07»0,X, .
Р х - 0.5(а4 + а5)^х^
(1.8)
-16-
с граничными условиями:
£х£=±с!/2 “ ^ р|х=о = РоехР(3°>0
Р1 Х-ос = 0 . I л=оо
(1-9)
В этом случае окончательные выражения для давления и скорости в слое имеют вид:
р= '-.хр[2к(г-Х)1 (110)
1 - ехр(2к/)
Ьх 4(а4 + а5) б 1 - ехр(2к2)
где к = |бсо(а4 +а5) /)рс2<12|
При этом получается, что осциллирующее движение жидкости затухает
вдоль слоя, а уменьшение скорости в е раз происходит на расстоянии :
г
<; = <!
рс'
3<о(а4 + а5)
1/2
(1.12)
Решение второй задачи сводится к решению системы уравнений:
(1.13)
у 10 + а2£х;г + ~ 9
4 х = ^ хо (X) • (1 - 4г2 / <12 ) ехр0©1)
с граничными условиями = ±К330 7 * , где Wo - энергия
V ^ ^>2=±6/2
сцепления гомеотропно ориентированного НЖК с твердой стенкой [40, 45, 57). Таким образом, решение данной задачи может быть представлено в виде:
а2 &£§Хо
6 =
|2 4
+ АбМс^) + Вс11(аг)
ехр0©0
(1.14)
где ст = Нту,/Кзз)|/2.
Амплитудные значения угла ориентации 9т определяются выражением: 2Ъ ьЬ№) 1+ 2К33 / clW0 '
(1.15)
у, с! V с1 ъЬ(о1/2) l^-аKз3/WoCth(аd/2);
При этом, для отношения угла, полученного из экстраполяции на границу в приближении линейной зависимости 0®, к измеренному по полному внутреннему отражению или с помощью метода модуляционной эллипсометрии
г
значению угла 0^ получится, что
-И/2
0
е
сх1г
ш _
— />*/
Э
ш
1-
XV,
аК
1 +
72 .щ
о
+
(1.16)
зз дДог^Кзз) (<оу1К33)
Оптическая разность фаз деформируемого таким образом слоя определяется как:
?тг П11ПН2 ~П1 1+^2 „
д6т=|Е._±И__И | в2т(г)&
2п
(1.17)
-<1/2
Рис. 1.7. Характерное распределение амплитуды угла наклона директора при энергии связи \Vo-2-lО'1 эрг/см2, с!=32 мкм. Здесь0^ ±1°, 0^1Г=±15°,
а 1==0.7 мкм.
Анализ формулы (1.16), показывает, что существует приграничный слой толщиной а 1 (смотри рис. 1.7 ), в котором происходит резкое увеличение угла
- Київ+380960830922