Научная статья на тему 'АДДИТИВНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОДНООСНОЙ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СМЕСИ'

АДДИТИВНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОДНООСНОЙ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СМЕСИ Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
31
5
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ СМЕСИ / ПОКАЗАТЕЛИ ПРЕЛОМЛЕНИЯ / СООТНОШЕНИЯ АДДИТИВНОСТИ

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Аверьянов Е.М.

Получены соотношения аддитивности, связывающие оптические параметры одноосной жидко-кристаллической смеси в области прозрачности [показатели преломления nj для света, поляризованного вдоль (j = || ) или нормально (j = ^ ) оптической оси, Dn = n || - n ^ , ánñ = (n || + 2n ^ )/3, em =(n ||2 + 2n ^2)/3, nm= em1/2] с подобными характеристиками составляющих ее одноосных жидкокристаллических компонентов. При выводе соотношений аддитивности использован микроскопический подход с учетом анизотропии локального поля световой волны в смеси и составляющих ее компонентах. Все полученные соотношения аддитивности подтверждены с высокой точностью для нематической смеси пара-азоксианизола с пара-азоксифенетолом в широком интервале температур мезофазы и длин световой волны.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

ADDITIVE OPTICAL PROPERTIES OF UNIAXIAL LIQUID-CRYSTALLINE MIXTURE

The additivity relations, which connect the optical parameters of an uniaxial liquid-crystalline mixture in the transparency region [refractive indices nj for the light polarized along (j = || ) or across (j = ^ ) optical axis, Dn = n || - n ^ , ánñ = (n || + 2n ^ )/3, em =(n ||2 + 2n ^2)/3, nm = em1/2] with similar values of pristine liquid-crystalline components constituting the mixture, were obtained. To derive the additivity relations, for the mixture and its individual components, a microscopic approach was used, taking into account the anisotropy of the local field of light wave. All additivity relations for the nematic mixture of para-azoxyanisole with para-azoxyphenetole obtained in a broad range of mesophase temperatures and light-wave wavelengths were confirmed with high accuracy.

Текст научной работы на тему «АДДИТИВНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОДНООСНОЙ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СМЕСИ»

УДК 532.783 Е. М. Аверьянов

АДДИТИВНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОДНООСНОЙ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СМЕСИ

Институт физики им. Л. В. Киренского, ФИЦ КНЦ СО РАН, Академгородок, 50, строение № 38, 660036 Красноярск, Россия.

E-mail: aver@iph.krasn.ru

Получены соотношения аддитивности, связывающие оптические параметры одноосной жидкокристаллической смеси в области прозрачности [показатели преломления nj для света, поляризованного вдоль (j = ID или нормально (j = ±) оптической оси, An = щ - n±, (n) = (щ + 2n\_)/3, Sm =(щ2 + 2n\_2)/3, Пт = Sm1/2J с подобными характеристиками составляющих ее одноосных жидкокристаллических компонентов. При выводе соотношений аддитивности использован микроскопический подход с учетом анизотропии локального поля световой волны в смеси и составляющих ее компонентах. Все полученные соотношения аддитивности подтверждены с высокой точностью для нематической смеси пара-азоксианизола с пара-азоксифенетолом в широком интервале температур мезофазы и длин световой волны.

Ключевые слова: жидкокристаллические смеси, показатели преломления, соотношения аддитивности.

DOI: 10.18083/LCAppl.2021.3.68

E. M. Aver'yanov

ADDITIVE OPTICAL PROPERTIES OF UNIAXIAL LIQUID-CRYSTALLINE MIXTURE

Kirensky Institute of Physics, Federal Research Center KSC SB RAS, 50 Akademgorodok, building № 38, Krasnoyarsk, 660036, Russia.

E-mail: aver@iph.krasn.ru

The additivity relations, which connect the optical parameters of an uniaxial liquid-crystalline mixture in the transparency region [refractive indices nj for the light polarized along (j = \\) or across (j = L) optical axis, An = n|| - m, (n) = (n\\ + 2n\_)/3, Sm =(n\\2 + 2n\_2)/3, nm = Sm12] with similar values of pristine liquid-crystalline components constituting the mixture, were obtained. To derive the additivity relations, for the mixture and its individual components, a microscopic approach was used, taking into account the anisotropy of the local field of light wave. All additivity relations for the nematic mixture of para-azoxyanisole with para-azoxyphenetole obtained in a broad range of mesophase temperatures and light-wave wavelengths were confirmed with high accuracy.

Key words: liquid-crystalline mixtures, refractive indices, additivity relations.

© Аверьянов Е. М., 2021

Введение

Жидкокристаллические смеси (ЖК-смеси) используются в качестве рабочих сред в устройствах электрооптики для записи, отображения и обработки информации. Изменение их состава позволяет варьировать в широких пределах такие важные в практическом отношении характеристики материалов, как положение и ширину температурного интервала мезофазы, величину и знак диэлектрической анизотропии, оптическую анизотропию [1-3]. Большинство практических применений одноосных ЖК-смесей основано на изменении их показателей преломления п для света с поляризацией вдоль (/ = ||) и нормально (/ = ±) оптической оси ЖК и двупреломления Ап = щ - п± под влиянием внешних воздействий или изменения термодинамических параметров. Это определяет актуальность исследований связи анизотропных оптических свойств ЖК-смесей со структурной упорядоченностью и молекулярными свойствами компонентов [3-10]. Для оптимизации и прогнозирования оптических характеристик этих материалов особый интерес представляют соотношения аддитивности [3-9], связывающие оптические параметры одноосной ЖК-смеси с подобными параметрами составляющих ее одноосных ЖК-компонентов в области прозрачности. Большинство известных соотношений этого типа являются чисто эмпирическими [1-5] либо основаны на произвольных предположениях о свойствах тензора локального поля световой волны и молекулярной поляризуемости [6, 7] в ЖК-смеси и ее ЖК-компонентах. Последовательный микроскопический подход к оптическим свойствам ЖК-смесей [8] позволил установить границы применимости для ряда эмпирических соотношений аддитивности [9]. Развитие и экспериментальное подтверждение этого подхода [10] открыло возможность получения новых соотношений аддитивности с учетом приближений, обоснованных результатами экспериментальных исследований особенностей локального поля и молекулярной поляризуемости для широкого круга одноосных ЖК и других объектов мягкой материи [10-12].

Целью настоящей работы является вывод и экспериментальная проверка соотношений аддитивности, связывающих оптические параметры одноосной ЖК-смеси [значения п/, Ап, (п) = (щ + 2п±)/3, гт = (пц2 + 2п±2)/3, пт = вот1/2] с подобными

параметрами составляющих ее одноосных ЖК-компонентов в области прозрачности.

Соотношения аддитивности

Тензор диэлектрической проницаемости смеси

Рассмотрим одноосную ЖК-смесь, состоящую из одноосных молекул разного сорта a (a-молекул) при отсутствии специфических взаимодействий (водородных связей, комплексов с переносом заряда, диполь-дипольных ассоциатов) между молекулами разного сорта в смеси. Число а-молекул в единице объема смеси равно Na. Данная смесь с оптической осью, параллельной директору n, характеризуется показателями преломления nj для световых волн, поляризованных вдоль

(j = ||) и нормально (j = ±) директору. В области

2

прозрачности компоненты s;- = nj тензора диэлектрической проницаемости смеси даются выражением [8]

Sj - 1 = 4NaXaY/afa (1)

Здесь N = EoNa, Xa = Na/N - мольная доля a-молекул в смеси. Компоненты имеют вид

У||° = Yma + (2/3)5ya, Y±a = Yma - (1/3)5ya. (2)

Для одноосных a-молекул с продольной (у/°) и поперечными (у/°) компонентами поляризуемости имеем

yma = (у/° + 2у/°)/3, 5ya = SaAya. (3)

Здесь Sa = (3cos26-1)a/2; 9 - угол между n и продольной осью молекулы; скобки (...) a означают усреднение по ансамблю a-молекул; Aya = (yta -у/°) - анизотропия поляризуемости a-молекул. В общем случае величины yma, Aya для a-молекул в смеси отличаются от аналогичных величин для состоящего из a-молекул однокомпонентного ЖК (a-ЖК) с тем же типом мезофазы, что и ЖК-смесь. То же относится к величинам Sa(AT) при одинаковых значениях AT = Тс - T, где Тс - температура перехода между двумя фазами (например, немати-ческой и изотропной), имеющимися как в ЖК-смеси, так и в a-ЖК.

В системе осей j эллипсоида рефракции смеси локальное поле световой волны Е;°(ю) = fa(ra)E;(ra), поляризующее a-молекулы, отличается от макроскопического (среднего) поля Е;(ю) световой волны в смеси.

В формуле (1) компоненты тензора локального поля имеют вид [8]

/» = 1 + №(<») - 1]. (4)

Компоненты ] тензоров Лорентца Ьа (Е;Ь]а = 1) в смеси зависят от ха, и при сравнимых значениях ха последовательный расчет величин Ь;а невозможен в силу статистической природы пространственного и ориентационного распределений молекул смеси. Для ЖК-смеси экспериментально определяются значения [8, 10]

Ь] = ЕаxаLjX, Е]Ь] = ЕаХа(Е/Ь/а) = 1 (5)

и используется тензор локального поля с компонентами [8, 10]

f = Eax<# = 1 + Ly(s;- - 1).

(6)

В результате для ЖК-смеси компоненты Sj с высокой точностью даются выражением [10]

Sj - 1 = 4^yf (7)

с величиной fj (6) и усредненными компонентами

У] = Eaxay;a. (8)

Отсюда для величин ут = (уу + 2yi)/3 и 5у = уу - yi, приходящихся на одну молекулу смеси, с учетом (2) и (3) получаем экспериментально измеряемые значения

Ут = ЕаХаУта, 5у = EaXaSya. (9)

Используя комбинации

Sm = (S|| + 2si)/3, As = S|| - Si (10)

компонент Sj (7), введем параметр Q = AS/(Sm - 1), связанный с величинами (9) выражением [10]

Sy = ymQ(1 + a).

(11)

Здесь с <х А/ - поправка на анизотропию А/=/ -/ компонент / (6). Помечая штрихом величины, относящиеся к чистому а-ЖК, запишем для него аналогичную связь [11]

(Sya)' = (yma)'Qa(1 + Ca'),

(12)

где Са' гс (А/а)' - поправка на анизотропию (А/а)' = (/|а - /!а)' компонент /а)' в а-ЖК, которые отличаются от компонент] (4) для а-молекул в смеси.

Соотношение аддитивности для Ап

С использованием разности ^(5уа) = 5уа -(5уа)' преобразуем выражение для 5у (9) к виду

5у = ЕаХа(5уа)' + ЕаХа£, (8уа). (13)

С учетом экспериментальных данных [10-12] при переходе от а-ЖК к ЖК-смеси изменение ^(Ауа) = Ауа - (Ауа)' относительно (Ауа)' существенно меньше изменения ^(£а) = £а - £а' относительно £а и можно записать ^(5уа) = (Ауа)'^(^а). Для части а-молекул знаки величин ^(£а) различны, а связанные с ними слагаемые частично компенсируют друг друга, причем |^(£а)| << £а'. Так что вторым слагаемым в правой части (13) можно пренебречь. С учетом этого подстановка (5уа)' из (12) в (13) дает

5у = EaXa(yma)'Qa(1 + Ca').

(14)

Далее используем разности ^(са') = Са' - с с поправкой с (11). В результате формула (14) примет вид

5у = (1 + a)EaXa(yma)'Qa + + EaXa(yma)'Qa^(Ca').

(15)

Для части а-молекул знаки величин ^(са') различны, а связанные с ними слагаемые частично компенсируют друг друга, причем |^(са')| << (1 + с) [10]. В результате вторым слагаемым в правой части (15) можно пренебречь, и с учетом (11), (12) получаем выражение

ymQ = EaXa(yma)'Q(

(16)

вид которого не зависит явно от поправок са и с на локальное поле. Однако связь величин уот и (ута)' со значениями е,- и в;а зависит от анизотропии локального поля в ЖК-смеси и а-ЖК.

Для исключения уот из обеих частей (16) используем для ЖК-смеси связь [9]

8m - 1 = 4пУ„

(1+п)

. (17)

N (8 т + 2) 3 и аналогичную связь для а-ЖК. Здесь коэффициент ^ имеет вид

Л

2tA8 + 2SAyAf

8m + 2 3Ym (8m + 2)

(18)

где х = (Ь\\ - ¿!)/3. Для чистых каламитных (диско-тических) ЖК, а также для их ЖК-смесей, выполняются неравенства ^ < 0 и << 1 [9-12]. С использованием разностей ^(^а') = Ла' - ^ и коэффициентов

К = (П|| + ni)/(Sm + 2)

(19)

для ЖК-смеси и а-ЖК подстановка (17) в (16) дает выражение

кап = Ш,аХаУа'АПаК.а -

- ЫЕаХаУа' МхКс&Ла' )/(1 + Ла'). (20)

Для части а-молекул знаки величин <^(ла') различны, а связанные с ними слагаемые частично компенсируют друг друга, причем |£(Ла ' )| << (1 + Ла '). В результате вторым слагаемым в правой части (20) можно пренебречь. Далее в первом слагаемом (20) учтем, что Уа' = МДААра) - объем, приходящийся на молекулу в а-ЖК, Ма - молекулярный вес а-молекул, Ы - число Авогадро, N = 1/У = Ылр/М, У = ЕаХаУа' - объем, приходящийся на молекулу в ЖК-смеси, М = ЕахаМа, р - плотность ЖК-смеси. Переходя к объемным долям фа = ЫхаУа ' а-компонентов ЖК-смеси до их смешивания, из (20) получаем

КАП = ЕафаАПаКа.

(21)

Значения фа отличаются от объемных долей _уа = ЫхаУа = ЫаУа [9] а-компонентов ЖК-смеси после их смешивания, где Уа - объем, приходящийся на а-молекулу в ЖК-смеси. В экспериментальном плане обычно задаются значения фа.

Коэффициенты Ка в (21) слабо различаются для чистых а-ЖК разных химических классов и слабо меняются при изменении величин П;а(АТ, X) в широком диапазоне температур мезофазы и длин X световой волны [9, 13-15]. При одинаковых значениях АТ, X и ] для ЖК-смеси и а-ЖК значения п для смеси заключены в интервале тт{П;а} < п < тах(п;а} между минимальным и максимальным значениями п;а для ансамбля а-ЖК. Вследствие этого величина к (19) для смеси заключена к узком интервале тт{ка} < к < тах{ка} между минимальным и максимальным значениями Ка для ансамбля а-ЖК. Отсюда следует слабая зависимость К для ЖК-смеси от химической структуры а-молекул, значений АТ и X в области прозрачности. Используя в (21) разности ^(Ка) = Ка - к, получаем

КАП = кЕафаАПа + ЕафаАПа^(Ка).

(22)

Из ограничений на К следует, что для части а-ЖК знаки величин ^(Ка) различны, а связанные с ними слагаемые в (22) частично компенсируют друг друга, причем |^(ка)| << к, и второе слагаемое в (22) пренебрежимо мало в сравнении с первым. В результате окончательно имеем

АП = ЕафаАПа.

(23)

Соотношения аддитивности для вт

Используем восприимчивость %т = (вт - 1)/4л и следующее из формул (6)-(9) соотношение

Хт = ЫЕаХа(/тУта + 2Аf 5у«/9). (24)

Здесь /т = (/ + 2Л)/3 и А/ = (/ - /±) - комбинации компонент / (6), а величины ута, 5уа даются выражениями (3). Учитывая изменение 5у а при переходе от а-ЖК к смеси и пренебрегая слабым изменением (ута) ', используем в (24) вместо ута выражение [8]

ХатМа

(Ута) ' = -

NлРа (/та)

В результате имеем

2

9(/а)

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

75га А/а. (25)

XтМ = у х [ гМа/т ЫлР Г а1 ЫлРаЮ'

2 / 2 л --А/а + - 5у„ А/

9( уау а а 9

(26)

Здесь р и ра - плотности ЖК-смеси и а-ЖК. В скобках (26) второе и третье слагаемые разного знака имеют второй порядок малости по сравнению с первым и, в дополнение к этому, частично взаимно компенсируются. В результате с высокой точностью выполняется соотношение

М_ Р

(еи " 1) = У

Ма(гат - 1)^

Ра

(/;)'

(27)

Если учесть, что с точностью до слагаемых второго порядка малости справедливы выражения /т = (Вт + 2)/3 и (/та)' = (Вта + 2)/3 [9], то из (27) следует соотношение аддитивности молярных рефракций для ЖК-смеси

М (8И - 1) р(е т + 2)

= у

М(8т - 1) Р(8т + 2)

(28)

При использовании массовых долей Wа = ХаМа/М а-компонентов ЖК-смеси это соотношение принимает вид

(8т - 1)

Р(8 т + 2)

= у

(8т -1) Р(8т + 2)

(29)

а

а

а

а

а

а

а

В работах [1, 6] здесь вместо массовых долей Wа фигурируют мольные доли ха, что допустимо при равных или близких значениях Ма « М. Концентрации фа и Wа связаны выражением

фа = ^ар/ра = (^а/ра)[Еа^а/ра]-1. (30)

С учетом этого формула (29) преобразуется к виду

(Вт - 1)/(Вт + 2) = Р = ЕафаРа, (31)

откуда следует наиболее простая форма соотношения аддитивности для вт:

Вт + 2 = [Еафа/(Вта + 2)]-1. (32)

Переходя здесь к разностям ^(в та) Вта - Вт и параметрам иа = ^(Вта)/(Вт + 2), получаем соотношение

Еафа/(1 + иа) = 1. (33)

Разложение (1 + иа)-1 в ряд по степеням иа и учет Еафа = 1 дает связь

Вт ЕафаВт +

(-i)q-1 q^+2)q-1

I

^J^)]q . (34)

В квадратичном по параметрам ^(Вта) приближении отсюда следует выражение

1

Вт ЕафаВт

ЕафаКМ]2 (35)

8 т + 2

Отметим, что неравенство Вт < ЕафаВта выполняется также для средней (эффективной) диэлектрической проницаемости изотропных мелкодисперсных смесей (эмульсий, порошков и т.п.) [16] и композитных материалов с частицами, мезоскопи-ческие размеры которых много меньше длины световой волны. В силу неравенств фа < 1, ^(Вта) << {Вт, Вта} второе слагаемое в (35) пренебрежимо мало по сравнению с первым, результатом чего является соотношение

Вт ~ ЕафаВ т •

Из (35) следует неравенство

nm вт < [ЕафаВта] .

а! 1/2

(36)

(37)

Для величин пта = (вта) выполняется неравенство

Еафапт ' < [ЕафаВта] .

(38)

На основании (36)-(38) можно ожидать выполнения соотношения

пт ~ ЕафаП т

с высокой точностью.

Соотношения аддитивности для nj Используем величину

<п> = (пц + 2щ)/3

(39)

(40)

для смеси и аналогичные величины (п)а для а-ЖК. Из выражения (19) следует связь

Ап = 3к(Вт + 2) - 6<п) (41)

для ЖК-смеси. С учетом аналогичных выражений для а-ЖК получаем

ЕафаАПа = 3ЕафаКа(Вта + 2) - 6Еафа<п)а. (42)

Подстановка сюда выражений Ка = к + ^(ка) дает

ЕафаАПа = 3кЕафа(Вта + 2) +

+ 3Еафа(Вта + 2)^(Ка) - 6Еафа<п)а. (43)

Как отмечено выше, для части а-ЖК знаки величин ^(ка) различны, а связанные с ними члены второй суммы в правой части (43) частично компенсируют друг друга, причем |^(к«)| << к. В результате вторая сумма в правой части (43) пренебрежимо мала по сравнению с первой и ею можно пренебречь. С учетом этого и формулы (23) из сравнения (41) и (43) следует соотношение

<п) = Еафа<п)а + (к/2)(В т - ЕафаВта ). (44)

В приближении (35) имеем

к

<П> « Еафа<П>а -

ЕафаК(Вта)]. (45)

2(вт + 2)

Комбинация формул (23), (44) дает выражение

nj = ЕафаП;Д + (к/2)(Вт - ЕафаВта). (46) Приближению (35) отвечает соотношение

к

nj « Еафаnjа -

2(вт + 2)

ЕафаК(Вта)]. (47)

Поправки к суммам Еафап]а в формулах (46), (47) не зависят от индекса ], в результате чего из этих формул следует выражение для Ап, совпадающее с (23). С учетом того, что к/2 « 0.36 [9, 13-15] и второе слагаемое в формулах (45), (47) пренебрежимо мало по сравнению с первым, можно ожидать

a

выполнения высокоточных соотношений

nj « Еафа«А <и> « £афа<«)а. (48)

Перейдем к экспериментальной проверке полученных соотношений аддитивности.

Сравнение с экспериментом

Необходимые экспериментальные данные относятся к нематическим смесям пара-азоксианизола (PAA, а = 1, Mi = 258,279) с пара-азоксифенетолом (PAP, а = 2, M2 = 286,333). Они включают значения показателей преломления n;a и nj в широких интервалах изменения AT = TNI - T и X при нескольких значениях массовой доли w(PAP) = W2 [4, 5]. Согласно примечанию авторов работы [6] на стр. С4-26, в работах [4, 5] индекс т

означает долю W2. Значения n;a и nj для немати-ческих фаз PAA, PAP и их смеси с W2 = 0,4 при указанных значениях AT и X приведены в таблице. С учетом связи (30) плотности pi = 1,155 и 1,180 г/см3 (p2 = 1,072 и 1,098 г/см3) при температурах AT = 1 и 27 °C [5] дают величины ф2 = 0,418 и 0,417, которые отличаются от W2 меньше, чем мольная доля Х2 = W2M1/M2 - W2M2 - M1)] = 0,376 [6]. Выбор температур AT = 1 и 27 °C (значений X = 0,589 и 0,48 мкм) связан с проверкой соотношений аддитивности в условиях сильного и слабого температурного изменения (слабой и сильной спектральной дисперсии) величин n;a и nj. При X > 0,589 мкм и AT > 27 °C точность экспериментальных значений nia и щ мала [4, 5] из-за близости точек 77o(X) минимума на зависимостях nia(AT) и ni(AT) [17].

x 0,589 0,480

AT 1 27 1 27

nii(1) 1,779 1,866 1,885 1,995

nii(2) 1,758 1,833 1,860 1,956

nil 1,768 1,852 1,875 1,977

еафоП||а 1,770 1,852 1,875 1,979

Щ(1) 1,581 1,559 1,626 1,595

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

ni(2) 1,530 1,515 1,563 1,543

n± 1,561 1,543 1,599 1,577

еафаП±а 1,560 1,541 1,600 1,573

kl 0,712 0,716 0,710 0,715

k2 0,716 0,720 0,716 0,720

k 0,713 0,718 0,712 0,716

ani 0,198 0,307 0,259 0,400

An2 0,228 0,318 0,297 0,413

An 0,207 0,309 0,276 0,400

еафоаПа 0,210 0,312 0,275 0,405

<n>1 1,647 1,661 1,712 1,728

<n>2 1,606 1,621 1,662 1,681

<n> 1,630 1,645 1,691 1,710

еафа<П>а 1,630 1,646 1,691 1,709

p (1) 2,721 2,781 2,947 3,023

p (2) m 2,591 2,650 2,782 2,863

Pm 2,666 2,731 2,876 2,961

Таблица. Показатели преломления и/1', и/2) и nj [4,5] нематических фаз PAA, PAP и их смеси с массовой долей w(PAP) = № = 0,4 вместе с экспериментальными и рассчитанными значениями к (19), An (23), P (31), em (36), nm (39), nj и (и) (48), при указанных значениях X (мкм) и AT = Tni - T (°C)

Table. Refractive indices nj(1), n/2) and nj [4,5] of nematic phases of PAA and PAP, and their mixture with the mass fraction w(PAP) = W2 = 0,4, along with the experimental and calculated values of к (19), An (23), P (31), em (36), nm (39), nj and (n) (48) for indicated values X (^m) and AT = Tni - T (°C)

Продолжение таблицы

2афаета 2,667 2,726 2,878 2,956

n (!) '»m 1,650 1,668 1,717 1,739

П (2) m 1,610 1,628 1,668 1,692

nm 1,633 1,652 1,696 1,721

2афаnmа 1,633 1,651 1,696 1,719

Pi 0,365 0,373 0,394 0,403

P2 0,347 0,555 0,373 0,383

P 0,357 0,366 0,385 0,395

2афаРа 0,357 0,365 0,385 0,395

Анализ табличных данных начнем с проверки эмпирических ограничений на параметры Ка (19) для однокомпонентных ЖК [9, 13-15] и ожидаемых ограничений на к для ЖК-смеси, поскольку эти ограничения использовались при выводе соотношений аддитивности для величин An (23), nj и <n> (48). Табличные значения Ка и к близки между собой и слабо увеличиваются с ростом AT при X = Const или уменьшаются при снижении X и AT = Const. При одинаковых парах {AT, X} для а-ЖК и ЖК-смеси выполняются ожидаемые ограничения К1 < к < К2 и (к2 - К1) << к, что обосновывает их использование в рамках развитого выше подхода. Различие экспериментальных и рассчитанных по (23) значений An не превышает 0,003, что достаточно для расчета и прогнозирования фазовой задержки электрооптических ЖК-ячеек [1].

С наибольшей точностью выполняются соотношения аддитивности для величин P (31), Вт (36), Пш (39) и <n> (48). При этом формула (31) получена без использования эмпирических соотношений. Для четырех рассмотренных пар {AT, X} второе слагаемое в правой части формулы (35) не превышает значения 0,003, что объясняет высокую точность формул (36), (39). Для всех пар {AT, X} второе слагаемое в правых частях формул (45), (47) не превышают значения 0,001, что соответствует высокой точности формул (45), (48). Различие экспериментальных и рассчитанных по (48) значений nj не превышает 0,003, что близко к точности 0,001 экспериментальных значений n/* и nj [4, 5] и достаточно для прогнозирования анизотропных оптических свойств ЖК-смесей.

Выводы

Результаты работы сводятся к следующему: - впервые дан последовательный микроскопический вывод соотношений аддитивности для

основных оптических параметров (величин nj, An = П|| - ni, (n) = (пу + 2ni)/3, Em = (пц2 + 2ni2)/3, nm = sm12) ЖК-смесей с учетом ранее установленных экспериментальных данных о свойствах тензоров молекулярной поляризуемости и локального поля световой волны для ЖК-смеси и ее чистых ЖК-компонентов;

- установлены и подтверждены ограничения на параметр к (19) для ЖК-смеси, использованные при выводе соотношении аддитивности;

- получены и оценены поправки к аддитивным значениям величин nj, (n), Em, nm для ЖК-смеси;

- все соотношения аддитивности подтверждены с высокой точностью для нематической смеси PAA с PAP в широком интервале температур AT = Tni -T и длин X световой волны в области прозрачности.

Это открывает новые возможности для объяснения, оптимизации и прогнозирования свойств ЖК-материалов.

Список литературы / References

1. Блинов Л. М. Электро- и магнитооптика жидких кристаллов. М. : Наука, 1978. 384 с. [Blinov L.M. Eectro-optics and magneto-optics of liquid crystals, Moscow : Nauka, 1978. 384 p. (in Russ.)].

2. Гребенкин М. Ф., Иващенко А. В. Жидкокристаллические материалы. М. : Химия, 1989. 288 с. [Grebyon-kin M.F., Ivashchenko A.V. Liquid-crystalline materials. Moscow : Khimiya, 1989. 288 p. (in Russ.)].

3. Томилин М. Г., Пестов С. М. Свойства жидкокристаллических материалов. СПб. : Политехника, 2005. 296 с. [Tomilin M.G, Pestov S.M. Properties of liquid-crystalline materials. St. Petersburg: Politekh-nika, 2005. 296 p. (in Russ.)].

4. Chatelain P., Germain M. Indices des mélanges de para-azoxyanisole et de para-azoxyphénétole dans l'etat nématique. C. R. Acad. Sci. Paris., 1964, 259 (1), 127-130. https://gallica.bnf.fr/ark:/12148/ bpt6k40130/f127.item

5. Brunet-Germain M. Indices des mélanges de para-azoxyanisole et de para-azoxyphénétole dans l'etat nématique. Interprétation des résultats a l'aide de la théorie de Maier et Saupe. Mol. Cryst. Liq. Cryst., 1970, 11 (3), 289-303.

DOI: 10.1080/15421407008083520.

6. Chandrasekhar S., Madhusudana N.V. Orientational order in p-azoxyanisole, p-azoxyphenetole and their mixtures in the nematic phase. J. de Phys. Colloq. C4, 1969, 30 (11-12), С4-24-С4-27.

DOI: 10.1051/jphyscol:1969406.

7. Palffy-Muhoray P., Dunmur D.A., Price A. Orientational order and refractive indices in binary nematic mixtures. Chem. Phys. Lett, 1982, 93 (6), 572-577. DOI: 10.1016/0009-2614(82)83732-9.

8. Аверьянов Е. М. Структурная и оптическая анизотропия смешанных жидких кристаллов // Кристаллография. 1981. Т. 26, № 4. С. 673-676. [Aver'ya-nov E.M. Structural and optical anisotropy of mixed liquid crystals. Sov. Phys. Crystallogr., 1981, 26 (4), 381-384].

9. Аверьянов Е. М. Эффекты локального поля в оптике жидких кристаллов. Новосибирск : Наука, 1999. 552 с. [Aver'yanov E.M. Effects of local field in optics of liquid crystals. Novosibirsk : Nauka, 1999. 552 p. (in Russ.). DOI: 10.13140/RG.2.1.4720.6882].

10. Аверьянов Е. М. Молекулярно-оптическая и структурная анизотропия нематической смеси Е7 // Жидк. крист. и их практич. использ. 2019. Т. 19, № 1. С. 42-51. [Aver'yanov E.M. Molecular-optical and structural anisotropy of the nematic mixture E7. Liq. Cryst. and their Appl., 2019, 19 (1), 42-51. DOI: 10.18083/LCAppl.2019.1.42].

11. Аверьянов Е. М. Новая парадигма исследования мягкой материи // Жидк. крист. и их практич. использ. 2013. Вып. 2. С. 42-51. [Aver'yanov E.M. New paradigm for investigation of soft matter. Liq. Cryst. and their Appl., 2013, 2, 42-51 (in Russ.)].

12. Аверьянов Е. М. Изменение поляризуемости молекул при фазовых переходах изотропная жидкость -нематик - смектик А - кристалл В в жидком кристалле 4О.8 // Жидк. крист. и их практич. использ. 2017. Т. 17, № 2. С. 6-13. [Aver'yanov E.M. Change of polarizability of molecules at the isotropic liquid -nematic - smectic A - crystal B phase transitions of the liquid crystal 4O.8. Liq. Cryst. and their Appl., 2017, 17 (2), 6-13 (in Russ.).

DOI: 10.18083/LCAppl.2017.2.6].

13. Poggi Y., Robert J., Borel J. Relations between liquid crystal order parameter and macroscopic physical coefficients - experimental proof. Mol. Cryst. Liq. Cryst, 1975, 29 (2), 311-322.

DOI: 10.1080/15421407508083208.

14. Wu S.-T. Birefringence dispersion of liquid crystals. Phys. Rev. A, 1986, 33 (2), 1270-1274. DOI: 10.1103/PhysRevA.33.1270.

15. Wu S.-T. A semi-empirical model for liquid crystal refractive index dispersion. J. Appl. Phys, 1991, 69 (4), 2080-2087. DOI: 10.1063/1.348734.

16. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Электродинамика сплошных сред. М. : Наука, 1982. 624 с. [Landau L.D., Lifshits E.M. Electrodynamics of continuous media. Moscow : Nauka, 1978. 384 p.].

17. Аверьянов Е. М. Влияние дисперсии показателей преломления на особенности их температурного поведения в одноосных жидких кристаллах // Жидк. крист. и их практич. использ., 2007. Вып. 3. С. 5-13. [Aver'yanov E.M. Influence of dispersion of the refractive indices on the features of their temperature behavior in uniaxial liquid crystals. Liq. Cryst. and their Appl., 2007, 3, 5-13 (in Russ.)].

Поступила 24.06.2021 г. Received 24.06.2021 Принята 26.07.2021 г. Accepted 26.07.2021

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.