CC BY
16
УДК 532.783
DOI 10.18101/2306-2363-2019-1-38-43
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРНО-ДИСПЕРСНЫХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ, ДОПИРОВАННЫХ НАНОЧАСТИЦАМИ ОКСИДА ЖЕЛЕЗА
© М. А. Цыренова
аспирант,
Бурятский государственный университет 670000, Улан-Удэ, Смолина, 24а E-mail: [email protected]
© Т. А. Чимытов
старший преподаватель, Бурятский государственный университет 670000, Улан-Удэ, Смолина, 24а E-mail: [email protected]
© Н. А. Романов
научный сотрудник,
Институт физического материаловедения СО РАН 670047, Сахьяновой 6, Улан-Удэ Е-mail; [email protected]
© С. В. Калашников
директор ЦКП,
Бурятский государственный университет 670000, Улан-Удэ, Смолина, 24а E-mail: [email protected]
© Э. Ч. Хартаева
младший научный сотрудник, Институт физического материаловедения СО РАН 670047, Сахьяновой 6, Улан-Удэ, Россия Е-mail: [email protected]
© А. В. Номоев
доктор физико-математических наук, директор, Институт физического материаловедения СО РАН 670047, Сахьяновой 6, Улан-Удэ, Россия Е-mail: [email protected]
Представлены результаты экспериментального исследования влияния магнитных на-ночастиц оксида железа (Fe3O4) на оптовременные характеристики нематических жидких кристаллов. Результаты исследования показывают, что введение наночастиц Fe3O4 в нематическую среду сокращает оптическое время отклика в электрическом поле. При этом уменьшается максимальное значение напряжения фотосигнала, что свидетельствует о снижении прозрачности образцов. Для чистых жидких кристаллов осциллограммы со временем не меняются
Ключевые слова: нематические жидкие кристаллы; жидкокристаллические пленки; магнитные наночастицы; жидкие кристаллы; магнитные наночастицы; янус подобные наночастицы.
Для цитирования:
Цыренова М. А., Чимытов Т. А., Романов Н. А., Калашников С. В., Хартаева Э. Ч., Но-моев А. В. Исследование электрооптических свойств полимерно-дисперсных жидких кристаллов допированных наночастицами оксида железа // Вестник Бурятского государственного университета. Химия. Физика. 2019. Вып. 1. С. 38-43.
В данной работе рассматриваются полимерно-дисперсные жидкие кристаллы (ПДЖК), включающие в себя микро- и наноразмерные наночастицы оксида железа Fe3O4. В последние годы добавление различных наночастиц в ПДЖК активно исследуется для улучшения их свойств [1, 2]. Для работы были выбраны нематические жидкие кристаллы, так как нематики являются достаточно доступным для исследования материалом и легко управляемым. Они выдерживают существенные внешние механические и световые нагрузки. Допирование наночастицами ПДЖК пленок приводит к уменьшению размера капель жидких кристалл (ЖК) в процессе полимеризации, что влечет за собой снижение значений времен отклика и порогового напряжения.
Ранее нами определено, что янус подобные наночастицы обладают значительным дипольным моментом и уменьшают время включения ПДЖК [3, 4]. Ди-польный момент способствует дополнительному увеличению диэлектрической анизотропии ПДЖК по сравнению с оксидными и металлическими наночастицами, это дает уменьшение времен отклика ПДЖК. Прикладываемое электрическое поле разворачивает эти частицы в соответствии с их дипольным моментом, тем самым ускоряя поворот молекул нематических жидких кристаллов. В случае использования наночастиц, обладающих магнитным моментом, предполагается, что магнитные наночастицы будут взаимодействовать с электромагнитным полем, создающимся в результате изменения управляющего напряжения, подаваемого на ПДЖК. Очевидно, это приведет к изменению электрооптических свойств жидких кристаллов. Исследований, по влиянию магнитных наночастиц на электрофизические свойства ПДЖК, до настоящей работы не проводилось.
Экспериментальное оборудование
В качестве материалов для создания полимерно-дисперсных жидких кристаллов использовались следующие соединения: коммерческие поливинилацетат и нематический жидкий кристалл с положительной диэлектрической анизотропией 4-пентил-4'-цианобифенил (5CB). Выбор этих компонентов объясняется их доступностью и достаточной изученностью. Для допирования исходной полимерно-жидкокристаллической смеси использовались наночастицы Fe3O4, которые были получены методом лазерной абляции в потоке кислорода [5]. Концентрация добавляемых частиц составила 1%. Взвешивание суспензии производилась на аналитических весах (Vibra AF 224RCE). Смесь полимера, жидких кристаллов и наночастиц обрабатывалась ультразвуком в течение 10 мин при частоте 22 кГц. Полученный раствор наносился на стеклянную подложку с токопроводящим по-
крытием. При испарении растворителя происходит фазовое разделение «жидкий кристалл — полимер». В результате образуется пленка, содержащая капли жидких кристаллов. После полного испарения растворителя пленку накрывают вторым стеклом с токопроводящим покрытием и помещают на 10 минут в печь, нагретую до 120оС, затем охлаждают до комнатной температуры. Получившуюся ячейку помещают на экспериментальную установку для исследования жидкокристаллических систем [6]. На данной установке можно регулировать электрическое напряжение, необходимое для открытия ячейки жидких кристаллов, это позволяет исследовать зависимость их электрооптических свойств от управляющего напряжения. Установка эффективна при измерении быстродействия и световой прозрачности ячейки жидких кристаллов, так как частотой и напряжением электрического сигнала, подаваемого на ячейку, возможно управлять в широких пределах. Исследование оптического отклика образцов проводилось при подаче на них напряжения 62 В, являющимся напряжением насыщения (соответствующее 0,9 от величины максимального пропускания) и частотой сигнала 50 Гц.
Временные характеристики ЖК делятся на 2 периода: Ton — время включения ЖК и Toff — время выключения ЖК. Сумма этих времен и дает в конечном счете время отклика жидких кристаллов [7]. Время включения и выключения описываются формулами:
Топ= ^СЛ {и*-и1У
Toff = nd2/n2K ,
где п — вязкость ЖК, Ае (f) — диэлектрическая анизотропия, зависящая от частоты, d — толщина слоя ЖК, U — приложенное напряжение, Uo — пороговое напряжение электрооптического эффекта, K — коэффициент упругости Франка.
Пороговое напряжение Uo зависит от свойств жидкого кристалла — диэлектрической анизотропии Ае и коэффициента упругости Франка [8].
Из формул видно, что ускорить процесс релаксации можно с помощью уменьшения вязкости жидкого кристалла, поднимая температуру ЖК и повышая коэффициент их упругости. Изменение напряжения, прикладываемого к слою жидкого кристалла, влияет только на ускорение оптического отклика нематиче-ского жидкого кристалла [9].
Результаты и их обсуждение
На рис. 1 показаны зависимости времен отклика чистых ЖК и ЖК, допиро-ванных наночастицами Fe3O4 в течении всего эксперимента. Видно, что время отклика ЖК, допированных наночастицами Fe3O4, изменяется со временем и в среднем уменьшается (линия 1). В то время как время отклика для чистых кристаллов не меняется (линия 2). С определенного момента (20 мин от начала эксперимента) время отклика ЖК+Рс304 становится меньше, чем в немодифициро-ванных жидких кристаллах. Время отклика чистых ЖК не изменялось в течении 80 мин. Такое поведение времени отклика для ЖК, допированных наночастица-ми Fe304, может свидетельствовать об изменении (уменьшении) вязкости в течении всего эксперимента.
Рис. 1. Зависимости времен отклика чистых ЖК (линия 2) и ЖК допированных наночастицами FesÜ4 (линия 1) в течении всего эксперимента.
Результаты измерений электрооптических характеристик ПДЖК пленок, содержащих наночастицы Fe3O4, представлены на рис. 2. Показаны осциллограммы оптического отклика образцов с наночастицами Fe3O4 при подаче на них управляющего напряжения 62 В (рис. 2, слева). Значения времен отклика при этом изменяется от 8,23 мс до 6,23 мс. Видно, что с течением времени эксперимента время выключения уменьшается. При этом также уменьшается максимальное значение напряжения фотосигнала, что свидетельствует о снижении прозрачности образцов. Для чистых ЖК осциллограммы со временем не меняются (рис. 2, справа). Время отклика при этом равно 7,82 мс.
Рис. 2. Осциллограммы оптического отклика: слева — ПДЖК+ Ре304 а — управляющее напряжение; Ь — 15 с начала эксперимента; с -30 минут с начала эксперимента; d -45 минут с начала эксперимента; е — 60 минут с начала эксперимента; справа — чистые ПДЖК
Заключение
Проведены исследования влияния магнитных наночастиц Fe3Ö4 на скорость оптического отклика полимерно-дисперсных жидкокристаллических пленок.
При добавлении наночастиц Fe3Ö4 времена отклика в среднем уменьшаются. С определенного момента времени время отклика ПДЖК, допированных нано-частицами Fe3Ö4, становится меньше чем в чистом ПДЖК. Полученные данные показывают целесообразность использования наночастиц Fe3Ö4 для модификации ПДЖК-композиции.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 18-79-10143).
Литература
1. Подъячева О. Ю., Матус Е. В., Субоч А. Н., Жаркова Г. М. Оптические свойства полимерно-дисперсных жидкокристаллических композитов, допированных углеродными нанотрубками // Жидкие кристаллы и их практичическое использование. — 2018. — Т. 18, № 3. — С. 53-58
2. Подъячева О. Ю., Матус Е. В., Субоч А. Н., Жаркова Г. М. Исследование закономерностей формирования полимерно-дисперсных жидкокристаллических материалов, допированных углеродными нанотрубками // Жидкие кристаллы и их практическое использование. — 2018. — Т. 18, № 3. — С. 82-88.
3. Andrey V. Nomoev, Sergey P. Bardakhanov, Makoto Schreiber, Dashima Zh. Bazarova, Boris B. Baldanov and Nikolai A. Romanov. Characterization, and Mechanism of Formation of Janus-Like nanoparticles of Tantalum Silicide-Silicon (TaSi2/Si) // Nanomaterials. — 2015. — № 5.
— P. 26-35
4. Номоев А. В., Бардаханов С. П. Синтез и механизм образования янусподобных на-ночастиц силицида тантала-кремния (TaSi2/Si)// Плазменная эмиссионная электроника: труды IV междунар. Крейнделевского семинара. — 2012. — С. 190-193.
5. Хартаева Э. Ч., Номоев А. В., Бардаханов С. П., Шолохов Е.С., Батороев А. С., Сызранцев В. В., Жалсанов Б. Г., Лыгденов В. Ц. Получение, характеризация и применения магнитных наночастиц созданных лазерной абляцией // Вестник Бурятского государственного университета. Химия. Физика. — 2018. — Вып. 2-3. С. 3-14.
6. Романов Н. А., Номоев А. В., Калашников С. В. Установка для измерения электрооптических свойств жидких кристаллов // Вестник Бурятского государственного университета. Химия. Физика. — 2015. — № 3. — С. 114-117.
7. Чигринов В. Г. Ориентационные эффекты в нематических жидких кристаллах в электрическом и магнитном полях // Кристаллография. — 1982.- Т. 27, Вып. 2. — С. 404-430.
8. Lopatina L. M., Selinger J. V. Theory of Ferroelectric Nanoparticles in Nematic Liquid Crystals // Phys. Rev. Lett. — 2009. — V. 102. — 197802.
9. Блинов Л. М. Электрооптические эффекты в жидких кристаллах // УФН. — 1974.
— Т. 114, Вып. 1. — С. 67-96.
STUDY OF ELECTROOPTIC PROPERTIES OF POLYMER-DISPERSE LIQUID CRYSTALS DOPED BY IRON OXIDE NANOPARTICLES
M. A. Tsyrenova Postgraduate
Buryat State University, Ulan-Ude 670000, Ulan-Ude, Smolina Str., 24a E-mail: [email protected]
T. A. Chimytov старший преподаватель Buryat State University, Ulan-Ude 670000, Ulan-Ude, Smolina Str., 24a E-mail: [email protected]
N. A. Romanov Researcher
Institute of Physical Materials Science SB RAS Sakhyanova Str. 6, Ulan-Ude, 670042, Russia Е-mail; : [email protected]
S. V. Kalashnikov директор ЦКП,
Buryat State University, Ulan-Ude 670000, Ulan-Ude, Smolina Str., 24a E-mail: [email protected]
E. Ch. Hartaeva Researcher
Institute of Physical Materials Science SB RAS Sakhyanova Str. 6, Ulan-Ude, 670042, Russia E-mail: [email protected];
A. V. Nomoev
доктор физико-математических наук, директор Institute of Physical Materials Science SB RAS Sakhyanova Str. 6, Ulan-Ude, 670042, Russia E-mail: [email protected]
The paper presents the results of an experimental study of the effect iron oxide nanoparticles (FesO4) on the wholesale characteristics of nematic liquid crystals. The results of the study show that the introduction of Fe3O4 nanoparticles into a nematic medium reduces the response time in an electric field. This reduces the maximum value of the voltage of the photo signal, which indicates a decrease in the transparency of the samples. For pure liquid crystals, the waveforms do not change over time.
Keywords: nematic liquid crystals; liquid crystal films; magnetic nanoparticles; liquid crystals; magnetic nanoparticles; Janus-like nanoparticles.
