CC BY
58
Вестник Челябинского государственного университета. 2011. № 15 (230). Физика. Вып. 10. С. 37-41.
ФИЗИКА ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ
О. А. Денисова, А. Н. Чувыров
ЭЛЕКТРОГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ НЕУСТОЙЧИВОСТЬ В СМЕКТИЧЕСКИХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛАХ ТИПА «С»
ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ГРАНИЧНЫХ УСЛОВИЯХ
Экспериментально исследовались эффекты электрогидродинамической неустойчивости (ЭГДН) в смектических жидких кристаллах типа «С» в электрическом поле. Объектом изучения служили ориентированные слои паранормальной оксибензойной кислоты, обладающие смектической фазой. По характеру движения центров инерции молекул, ориентации директора и слоёв смектического жидкого кристалла типа «С» наблюдаемые эффекты делятся на три группы. В ходе эксперимента обнаружены неустойчивости типа доменов Капустина—Вильямса и азимутальных доменов. Ячейка представляла собой две стеклянные пластины с электродами из SnO2, разделёнными майларивыми прокладками заданной толщины. Рассмотрены различные схемы поворота доменов. Обнаружено, что ЭГДН зависит от геометрии слоя.
Ключевые слова: смектические жидкие кристаллы, электрогидродинамическая неустойчивость.
Известно, что смектические жидкие кристаллы (СЖК) типа «С» — это двуосные анизотропные среды, характеризующиеся тензором упорядочения дар с отличными от нуля компонентами 4^ ^ ^ Яуу и условием ^ф дууф 0 [1]. Эт°
означает, что в плоскости отдельного смектического слоя они аналогичны нематическим жидким кристаллам (НЖК) с наклоном директора на угол ф относительно нормали к слою. Такой наклон характеризуется единичным вектором с, лежащим в плоскости слоя (с-директор). В соседних слоях направления директора с параллельны друг другу, а поле директора с обладает дальним порядком. В направлении нормали к слоям СЖК «С» ведут себя аналогично СЖК «А», но в плоскости слоя свойства директора с аналогичны НЖК. В связи с этим, когда эффекты «просачивания» слоёв отсутствуют, при интерпретации многих явлений удобно рассматривать однослоевое квазинематическое приближение с дальнейшим обобщением на весь объём.
Явление электрогидродинамической нестабильности (ЭГДН) в НЖК хорошо изучено. В работах [2-9] проводилось изучение ЭГДН в СЖК типа «С», но в целом эти работы до сих пор носят несистематический характер. Основная трудность заключается в получении тонких ориентированных слоёв. В данной работе исследованы эффекты ЭГДН в ориентированных образцах 7-, 8-гомологов ряда паранормальной оксибензойной кислоты, обладающих смектической фазой
с еа < 0. Методы изучения доменных структур в СЖК «С» подробно изложены в [4].
Стационарный эффект ЭГДН в СЖК «С» в значительной степени зависит от предварительной ориентации слоя смектика. Наблюдаемые эффекты можно разделить на три группы, отличающиеся характером движения центров инерции молекул, ориентацией директора и слоёв СЖК «С» в электрическом поле: неустойчивость типа Капустина—Вильямса, азимутальная неустойчивость [5], развитая ЭГДН, определяемая формированием и движением дисклинаций.
Введём обозначения, характеризующие потоки, ориентацию директора и электрического поля: А — компонента директора, перпендикулярная смектическому слою; с — компонента директора вдоль слоя; V — единичный вектор, перпендикулярный слою СЖК; ю — вектор угловой скорости центров инерции молекул.
Исследования ЭГДН проводились по стандартной методике [4], ячейка представляла собой две стеклянные пластины с электродами из SnO2, разделёнными майларивыми прокладками заданной толщины. Для задания однородной ориентации молекул СЖК «С» на электроды напылялись тонкие слои хрома толщиной от 100 А. Толщина этих плёнок определялась с помощью эллипсометра по стандартной методике [10]. В работе исследовался СЖК «С» п-н-оксибен-зойной кислоты при температуре 120 °С.
Возможные типы ЭГД-неустойчивости в СЖК «С» и наблюдаемые оптические картины
доменных структур сведены в таблицу. Эти качественные результаты, полученные на основе квазинематической модели, подтверждаются экспериментально. На рис. 1 приведены поро-
говые характеристики ЭГД-неустойчивости для различно ориентированных слоёв СЖК «С». Как правило, здесь реализуются азимутальные домены, но аналогично нематическим жидким крис-
Образование текстур при фиксированной температуре и типы ЭГД-неустойчивости при различной ориентации в слое СЖК «С»
№
Ориентация
Тип структуры и метод получения
ЭГДН в постоянных полях
ЭГДН в переменных полях
Поворот
доменов
Простая веерообразная; сферо-литы; полировка поверхности электродов
и1п — продольные домены; и2п — домены Вильямса—Капустина; ширина доменов постоянная
и1п — продольные домены с изменяемой шириной;
и2п — поперечные домены
и3п — поворот в переменных и постоянных полях; возникает новая ориентация доменов
А
Е ф 0 {Е||У, ю||с, Л1У)
Сферолиты; конфокальная зернистая или моза-
ичная
и1п — продольные домены; и2п — домены Вильямса—Капустина
и1п — продольные домены; и2п — домены Вильямса—Капустина
и3п — поворот в переменных и постоянных полях
Е ф 0 {Е||У, ю||С, (с, У) = Ф)
Шлирен-текс-тура; косое напыление плёнки хрома толщиной
100-200 А
Неустойчивость Хельфриха— Юро
Нет
Конфокальная; сферолиты; вертикальное напыление плёнки хрома толщиной
100 А
и1п — продольные домены
и2п — домены Вильямса— Капустина
Нет
Е ф 0 {Е||У||С)
Мозаичная; с осью нормальной к поверхности; косое напыление плёнки хрома толщиной до 400-500 А
и4п — ква"
дратные домены как следствие эффекта Хельфриха— Юро
и4п — квадратные домены
Нет
1
2
3
4
5
таллам имеются две ветви нестабильности: низкочастотная с порогом U1n и высокочастотная с порогом U2n. Аналогичен гистерезис порога U2n при понижении частоты ниже точки пересечения А (рис. 2) ветвей U1n и U2n (область w-). Однако поведение пороговых полей от частоты также зависит и от ориентации с-директора на границах. Так, в случае {E||V, ю||й, с!У} и {Е||с||V} на низких частотах и напряжениях U >> U1n наблюдаются домены типа Капустина—Вильямса в НЖК (рис. 3). На высоких частотах при {E||V, ю||й, с±У}, U1n~w, в случае {E||c||V} зависимость U1c от частоты корневая U1n~w1/2, что аналогично НЖК [5; 11]. Если {(с • E) = cos a, A||E}, пороговое
2/3
напряжение зависит от частоты как w , наконец, в случае {E||V, ю±с, Z (c, V) = j}, U1n~w3/2.
Последние зависимости не согласуются ни с одной из известных на сегодняшний день теорий.
По-видимому, они являются следствием нелинейного взаимодействия электрического поля с тонким слоем СЖК «С» при наличии эффекта Фредерикса. Поведение смектического жидкого кристалла выше порога ЭГД-неустойчивости в зависимости от геометрии слоя приводит к двум эффектам. Это либо поворот доменов, либо динамическое рассеяние света. Причём первый происходит в режиме стационарной ЭГД-неустойчивости и является следствием наклона молекул в слоях, а также смены режима действия электрического поля на СЖК.
Это может осуществляться как за счёт эффекта Фредерикса, так и при переходе от азимуталь-
а)
б)
0,4 0,6 0,75 0,9 1,05 1,2 1,35 1,5 1,65 1,8 0,5 lg ш
0,5lgffl
в)
0,5 5 (О
Рис. 1. Низкочастотная и обратная высокочастотная (со штрихом) зависимости пороговых полей
---------------------------------►
ю
Рис. 2. Иллюстрация пересечения порогов различных типов доменов путём смены режимов ЭГД-нестабильности в СЖК «С» при повышении напряжения от и2п на величину и1п-и2п
Рис. 3. Домены Вильямса—Капустина
ной нестабильности к доменам Капустина— Вильямса. Как правило, поворот доменов осуществляется в области частот выше точки А (область ю+) пересечения и1п и и2п. Для этого необходимо повысить напряжение на ячейке на величину и1п-и2п. Величина углов поворота доменов точно совпадает с углом наклона молекул и составляет в данном случае 57°. С учётом сказанного можно написать следующие возможные схемы поворота доменов:
{Е | | У, ю||й, с±У} ^ {Е||У, ю||Л, с±У};
{Е||У, ю!с, Z (с, У) = ф} ^ {Е||У, ю||й, с±У};
{Е||с||У} ^ {Е||У, ®||й, с±У}; {Е||У, ®||й, с!У} ^ {Е||с||У}.
Последние два перехода разрешены лишь при sa > 0 и планарной ориентации директора с. При этом ориентация новой доменной структуры зависит от напряжения выше порога Фредерикса. Следует отметить другой механизм поворота, когда на высоких частотах реализуются одновременно зависимости пороговых напряжений доменов U1n~w1/2, U1n~w (см. рис. 1). Тогда наблюдаются азимутальные домены двух типов с переходом по напряжению: {E||V, ю||й, ci_V} ^ {E||V, Z(c, V) = j, c!V}.
Таким образом, в смектических жидких кристаллах типа «С» характер ЭГД-неустойчивости определяется геометрией слоя, а общие закономерности изменения пороговых полей аналогичны нематическим жидким кристаллам. Причём однослоевое приближение, использованное для интерпретации результатов, позволяет качественно понять механизмы неустойчивости при различной геометрии слоя.
Список литературы
1. Де Жен, П. Физика жидких кристаллов / П. Де Жен. М. : Мир, 1977. 367 с.
2. Hertrich, A. Electrohydrodynamic convection in nematics: hybrid and tilted alignment / A. Hertrich, A. P. Krekhov, W. Pesch // J. Phys. II (France). 1995. Vol. 5 (5). P. 733-740.
3. Чувыров, А. Н. Об особенностях электрооп-тического эффекта в нематических жидких кристаллах / А. Н. Чувыров // Физика твёрдого тела. 1974. Т. 16, вып. 2. С. 321-327.
4. Kelher, H. Handbook of liquid crystals / H. Kelher, R. Hatz. Weinheum, Deer-field. Verlag Chen. 1980. 914 p.
5. Пикин, С. А. Структурные превращения в жидких кристаллах / С. А. Пикин. М. : Наука, 1981. 337 с.
6. Чувыров, А. Н. Фазовые волны в нематических жидких кристаллах: следствие самоорганизации гидродинамической флуктуации / А. Н. Чувыров // Флуктуации и шумы в сложных системах живой и неживой природы / под ред. Р. М. Юльме-тьева, А. В. Мокшина, С. А. Демина, М. Х. Сала-хова. Казань, 2008. 456 с.
7. Batyrshin, E. S. 2-mode of domain oscillation in electrohydrodynamic convection of nematic liquid crystal / E. S. Batyrshin, V. A. Delev, A. N. Chuvyrov. // Kristallografiy. 1999. Vol. 44 (3). P. 548-550.
8. Ahmetshin, O. G. Electrohydrodynamics of hybrid aligned nematics / O. G. Ahmetshin,
V. A. Delev, O. A. Scaldin // Mol. Cryst. Liq. Cryst. 1995. Vol. 265. P. 315-320.
9. Чувыров, А. Н. Структура и динамика дислокаций Френкеля—Конторовой при электроконвекции в жидких кристаллах / А. Н. Чувыров, О. А. Скалдин, В. А. Делев, Ю. А. Лебедев,
Э. С. Батыршин // Журн. эксперимент. и техн. физики. 2006. Т. 130, № 12. С. 1072-1081.
10. Горшков, М. Н. Эллипсометрия / М. Н. Горшков. М. : Сов. радио. 1974. 185 с.
11. Orsay liquid crystals group. Hydrodynamic instabilities in nematic liquids under AC electric fields // Phys. Rev. Lett. 1970. Vol. 25. P. 1642.
