CC BY
9Краткие сообщения УДК 532.783
ЭЛЕКТРОУПРАВЛЯЕМАЯ ИОННАЯ МОДИФИКАЦИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЦЕПЛЕНИЯ В ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛАХ
В. С. Сутормин1,2*, М. Н. Крахалев1,2, А. П. Гардымова2, О. О. Прищепа1, И. В. Тимофеев1'2,
А. В. Шабанов1, В. Я. Зырянов1
1 Институт физики им. Л. В. Киренского, ФИЦ КНЦ СО РАН, Красноярск, Россия 2Сибирский федеральный университет, Красноярск, Россия
И Н Ф О Р М А Ц И Я А Н Н О Т А Ц И Я
История статьи:
Поступила 29.09.2021 Одобрена 25.10.2021 Принята 29.10.2021
Представлен краткий обзор работ по электроуправляемой модификации поверхностного сцепления в жидких кристаллах, допированных ионными сурфактантами. Обсуждаются наиболее важные результаты исследований по управлению ориентационной структурой и оптическими свойствами жидких кристаллов с использованием ионно-сурфактантного метода.
Ключевые слова:
жидкий кристалл,
нематик,
холестерик,
ионный сурфактант,
поверхностное сцепление,
граничные условия,
ориентационная структура,
электрооптика,
мультистабильность
DOI: Для цитирования:
10.18083/LCAppl.2022.1.89 Сутормин В. С., Крахалев М. Н., Гардымова А. П., Прищепа О. О., Тимофеев И. В.,
Шабанов А. В., Зырянов В. Я. Электроуправляемая ионная модификация поверхностного сцепления в жидкокристаллических материалах // Жидк. крист. и их практич. использ. 2022. Т. 22, № 1. С. 89-93.
*Автор для переписки: sutormin@iph.krasn.ru
© Сутормин В. С., Крахалев М. Н., Гардымова А. П., Прищепа О. О., Тимофеев И. В., Шабанов А. В., Зырянов В. Я., 2022
Brief messages
ELECTRICALLY CONTROLLED IONIC MODIFICATION OF SURFACE ANCHORING IN LIQUID CRYSTAL MATERIALS
V. S. Sutormin12*, M. N. Krakhalev12, A. P. Gardymova2, O. O. Prishchepa1, I. V. Timofeev1^
A. V. Shabanov1, V. Ya. Zyryanov1
'Kirensky Institute of Physics, Federal Research Center KSC SB RAS, Krasnoyarsk, Russia
2
Siberian Federal University, Krasnoyarsk, Russia
A R TIC L E IN FO: A B S T R A CT
Article history: A brief review of studies on the electrically controlled modification of surface
Received 29 September 2021 anchoring in liquid crystals doped with ionic surfactants is presented. The most
Approved 25 October 2021 important research results concerning the control of the orientational structure and
Accepted 29 October 2021 optical properties of liquid crystals by the ionic-surfactant method are discussed.
Key words:
liquid crystal,
nematic,
cholesteric,
ionic surfactant,
surface anchoring,
boundary conditions,
orientational structure,
electrooptics,
multistability
DOI: For citation:
10.18083/LCAppl.2022.1.89 Sutormin V. S., Krakhalev M. N., Gardymova A. P., Prishchepa O. O., Timofeev I. V.,
Shabanov A. V., Zyryanov V. Ya. Electrically controlled ionic modification of surface anchoring in liquid crystal materials. Liq. Cryst. and their Appl., 2022, 22 (1), 89-93 (in Russ.).
Corresponding author: sutormin@iph.krasn.ru
© Sutormin V. S., Krakhalev M. N., Gardymova A. P., Prishchepa O. O., Timofeev I. V., Shabanov A. V., Zyryanov V. Ya., 2022
Введение
На сегодняшний день подавляющее большинство жидкокристаллических устройств работает на эффекте Фредерикса, где изменение ориен-тационной структуры жидкого кристалла (ЖК) в объеме осуществляется непосредственным воздействием внешних факторов (электрического или магнитного полей). Однако существует иной способ изменения конфигурации директора путем модификации внешним воздействием поверхностного сцепления ЖК на ограничивающей поверхности. Переориентация ЖК в приповерхностном слое приводит к изменению директора во всем объеме. Данный способ управления ЖК может представлять интерес для оптоэлектронных устройств, работающих на поверхностных явлениях. Нами был предложен и реализован метод электрически индуцированной ионной модификации поверхностного сцепления для управления ЖК-материалами [1]. Данный метод заключается в варьировании поверхностной плотности ионов сурфактанта при воздействии постоянного электрического поля.
Ионная модификация поверхностного сцепления в каплях ЖК
Были исследованы образцы капсулирован-ного полимером жидкого кристалла, изготовленные на основе нематика, допированного катионным сурфактантом и/или анионным сурфактантом, задающими при определенной концентрации гомео-
тропное поверхностное сцепление. Используемый полимер задавал планарные граничные условия. Таким образом, ориентация ЖК на межфазной границе определялась конкурирующим действием полимера и ионного сурфактанта. Варьирование поверхностной плотности ионов сурфактанта путем приложения к образцам постоянного электрического поля позволяло изменять баланс между этими двумя факторами. Таким образом удалось реализовать прямую моду ионной модификации поверхностного сцепления [2, 3], где исходная конфигурация директора определялась полимерной пленкой (рис. 1, а), и инверсную моду [4, 5], где исходная ориентационная структура ЖК задавалась ионами сурфактанта (рис. 1, Ь). Было проведено исследование динамики процесса переориентации директора, вызванной изменением граничных условий [6]. Кроме того, было продемонстрировано, что использование смеси катионного и анионного сурфактан-тов дает возможность одновременной модификации поверхностного сцепления на обеих частях капли вблизи анода и катода [7].
Исследования ионной модификации поверхностного сцепления в каплях хирального нематика (холестерика) позволили реализовать бистабильное переключение между различными конфигурациями директора [8]. Так, варьирование формы и величины приложенного электрического импульса приводило к переключению между стабильными радиальной и аксиальной ориентационными структурами через промежуточные метастабильные конфигурации.
Рис. 1. Схема изменения конфигурации директора, вызванного электроуправляемой ионной модификацией поверхностного сцепления в каплях (a), (b) и слоях нематика (с), (d). Верхний ряд - электрическое поле выключено.
Нижний ряд - приложено постоянное электрическое поле E
Fig. 1. The scheme of change in director configuration induced by the electrically controlled ionic modification of surface anchoring in the nematic droplets (a), (b) and nematic layers (с), (d). Top row - electric field is switched off.
Bottom row - the electric field E is switched on
Ионная модификация поверхностного сцепления в слоях ЖК
Были исследованы образцы ЖК-ячеек, состоящие из двух стеклянных подложек с ITO электродами и слоя ЖК, допированного ионным сурфак-тантом, между ними. Подложки покрывались полимером, задающим планарное поверхностное сцепление. Таким образом, как и в случае с композитным материалом, ориентация ЖК на подложках определялась конкурирующим действием полимера и сурфактанта. Были реализованы и исследованы переходы от гомеотропной конфигурации директора к гибридной гомеопланарной ориентацион-ной структуре (рис. 1, с) [9, 10] и от гибридной го-меопланарной конфигурации директора к твист-структуре (рис. 1, d) [11]. Кроме того, было продемонстрировано, что ионно-сурфактантный метод позволяет управлять ЖК с диэлектрической анизотропией близкой к нулю [12]. Для ячеек, заполненных холестерическим ЖК, были реализованы и исследованы переходы от гомеотропной конфигурации директора к структуре однородного гибридно-упорядоченного холестерика [13] и от закрученной конфигурации директора к структуре модулированного гибридно-упорядоченного холестерика [14].
Заключение
Ионно-сурфактантный метод реализует концептуально новый подход к управлению ориента-ционной структурой ЖК. Данный метод возможно использовать как для слоев ЖК, так и для капсули-рованных полимером жидких кристаллов. Ионная модификация поверхностного сцепления позволяет реализовать целый ряд ориентационно-структур-ных переходов в ЖК, которые невозможно получить с использованием эффекта Фредерикса. Кроме того, возможна электрически индуцированная перестройка ЖК с диэлектрической анизотропией, равной нулю. Таким образом, ионно-сурфактантный метод существенно расширяет возможности применения ЖК в оптоэлектронных устройствах.
Список источников / References
1. Krakhalev M., Sutormin V., Prishchepa O., Gardymova A., Shabanov A., Lee W., Zyryanov V. Liquid crystals doped with ionic surfactants for electrically induced anchoring transitions. Unconventional liquid
crystals and their applications / ed. by W. Lee and S. Kumar. Berlin, Boston: De Gruyter, 2021, Ch. 7, 279-330. DOI: 10.1515/9783110584370-007.
2. Зырянов В. Я., Крахалев М. Н., Прищепа О. О., Шабанов А. В. Ориентационно-структурные превращения в каплях нематика, обусловленные ионной модификацией межфазной границы под действием электрического поля // Письма в ЖЭТФ. 2007. Т. 86, вып. 6. С. 440-445. [Zyryanov V.Ya., Krakhalev M.N., Prishchepa O.O., Shabanov A.V. Orientational structure transformations caused by the electric-field-induced ionic modification of the interface in nematic droplets. JETP Letters, 2007, 86 (6), 383-388.
DOI: 10.1134/S0021364007180087].
3. Zyryanov V.Ya., Krakhalev M.N., Prishchepa O.O. Texture transformation in nematic droplets caused by ionic modification of boundary conditions. Mol. Cryst. Liq. Cryst., 2008, 489 (1), 273/[599]-279/[605]. DOI: 10.1080/15421400802219189.
4. Зырянов В. Я., Крахалев М. Н., Прищепа О. О., Шабанов А. В. Инверсная мода эффекта ионной модификации поверхностного сцепления в каплях нема-тика // Письма в ЖЭТФ. 2008. Т. 88, вып. 9. С. 688692. [Zyryanov V.Ya., Krakhalev M.N., Prishchepa O.O., Shabanov A.V. Inverse regime of ionic modification of surface anchoring in nematic droplets. JETP Letters, 2008, 88 (9), 597-601.
DOI: 10.1134/S002136400821011X].
5. Krakhalev M.N., Prishchepa O.O., Zyryanov V.Ya. Inverse mode of ion-surfactant method of director reorientation inside nematic droplets. Mol. Cryst. Liq. Cryst., 2009, 512 (1), 152/[1998]-157/[2003].
DOI: 10.1080/15421400903050814.
6. Крахалев М. Н., Лойко В. А., Зырянов В. Я. Электрооптические характеристики полимер-дисперги-рованной жидкокристаллической пленки, управляемой ионно-сурфактантным методом // Письма в ЖТФ. 2011. Т. 37, вып. 1. С. 72-77. [Krakhalev M.N., Loiko V.A., Zyryanov V.Ya. Electro-optical characteristics of polymer-dispersed liquid crystal film controlled by ionic-surfactant method. Tech. Phys. Lett., 2011, 37 (1), 34-36.
DOI: 10.1134/S1063785011010056].
7. Krakhalev M.N., Sutormin V.S., Prishchepa O.O., Kuz'menok N.M., Mikhalyonok S.G., Bezborodov V.S., Zyryanov V.Ya. Anionic-cationic surfactant mixture providing the electrically controlled homeotropic surface anchoring of liquid crystals. J. Mol. Liq., 2019, 282, 57-62. DOI: 10.1016/j.molliq.2019.02.132.
8. Гардымова А. П., Зырянов В. Я., Лойко В. А. Муль-тистабильность в пленке капсулированного полимером холестерического жидкого кристалла, допиро-ванного ионным сурфактантом // Письма в ЖТФ. 2011. Т. 37, вып. 17. С. 35-41. [Gardymova A.P.,
Zyryanov V.Ya., Loiko V.A. Multistability in polymer-dispersed cholesteric liquid crystal film doped with ionic surfactant. Tech. Phys. Lett., 2011, 37 (9), 805-808. DOI: 10.1134/S1063785011090094].
9. Сутормин В. С., Крахалев М. Н., Прищепа О. О., Зырянов В. Я. Электроуправляемый локальный переход Фредерикса в слое нематического жидкого кристалла // Письма в ЖЭТФ. 2012. Т. 96, вып. 8. С. 562-567. [Sutormin V.S., Krakhalev M.N., Pri-shchepa O.O., Zyryanov V.Ya. Electrically controlled local Fredericksz transition in a layer of a nematic liquid crystal. JETP Letters, 2012, 96 (8), 511-516. DOI: 10.1134/S0021364012200131].
10. Сутормин В. С., Крахалев М. Н., Зырянов В. Я. Динамика отклика электрооптической ячейки на основе слоя нематика с управляемым поверхностным сцеплением // Письма в ЖТФ. 2013. Т. 39, вып. 13. С. 1-8. [Sutormin V.S., Krakhalev M.N., Zyryanov V.Ya. The dynamics of the response of an electro-optic cell based on a nematic layer with controlled surface anchoring. Tech. Phys. Lett., 2013, 39 (7), 583-586. DOI: 10.1134/S1063785013070134].
11. Sutormin V.S., Krakhalev M.N., Prishchepa O.O., Lee W., Zyryanov V.Ya. Electro-optical response of an ionic-surfactant-doped nematic cell with homeoplanar-twisted configuration transition. Opt. Mater. Express, 2014, 4 (4), 810-815.
DOI: 10.1364/0ME.4.000810.
12. Sutormin V.S., Krakhalev M.N., Prishchepa O.O., Zyryanov V.Ya. Electrically induced anchoring transition in nematics with small or zero dielectric anisotropy. Liq. Cryst, 2017, 44 (3), 577-581.
DOI: 10.1080/02678292.2016.1225840.
13. Sutormin V.S., Timofeev I.V., Krakhalev M.N., Prishchepa O.O., Zyryanov V.Ya. Orientational transition in the cholesteric layer induced by electrically controlled ionic modification of the surface anchoring. Liq. Cryst., 2017, 44 (3), 484-489.
DOI: 10.1080/02678292.2016.1218557.
14. Sutormin V.S., Krakhalev M.N., Prishchepa O.O., Zyryanov V.Ya. Electrically induced anchoring transition in cholesteric liquid crystal cells with different confinement ratios. Liq. Cryst., 2018, 45 (8), 1129-1136. DOI: 10.1080/02678292.2017.1416504.
3Гардымова А. П. - исследование эффекта бистабиль-ного переключения.
4Прищепа О. О. - исследование эффекта электроуправ-ляемой ионной модификации поверхностного сцепления в каплях ЖК.
5Тимофеев И. В. - расчет конфигурации директора и оптических характеристик слоев ЖК. 6Шабанов А. В. - расчет конфигурации директора и оптических текстур капель ЖК.
7Зырянов В. Я. - научное руководство; концепция исследования; написание исходного текста статьи.
Contributions of the authors: 1Sutormin V.S. - study of the effect of electrically controlled ionic modification of surface anchoring in the layers of LC; writing the source text of the article.
2Krakhalev M.N. - study of the effect of electrically controlled ionic modification of surface anchoring in liquid crystal droplets.
3Gardymova A.P. - study of the effect of bistable switching. 4Pryshchepa O.O. - investigation of the effect of electrically controlled ionic modification of surface anchoring in liquid crystal droplets.
5Timofeev I.V. - calculation of the director configuration
and optical characteristics of the LC layers.
6Shabanov A.V. - calculation of the director configuration
and optical textures of liquid crystal droplets.
7Zyryanov V.Ya. - scientific leadership; research concept;
writing the source text of the article.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
The authors declare no conflicts of interests.
1https://orcid.org/0000-0003-4695-5569
2https://orcid.org/0000-0003-3519-9497
3https://orcid.org/0000-0003-4139-4555
4https://orcid.org/0000-0003-2433-2571
5https://orcid.org/0000-0002-6558-5607
6https://orcid.org/0000-0002-2389-4698
'https://orcid.org/0000-0001-7373-3342
Вклад авторов: 1 Сутормин В. С. - исследование эффекта электро-управляемой ионной модификации поверхностного сцепления в слоях ЖК; написание исходного текста статьи. 2Крахалев М. Н. - исследование эффекта электроуправ-ляемой ионной модификации поверхностного сцепления в каплях ЖК.
Поступила 29.09.2021, одобрена 25.10.2021, принята 29.10.2021 Received 29.09.2021, approved 25.10.2021, accepted 29.10.2021
