CC BY
8PHYSICS AND MATHEMATICS
О СТРУКТУРНОЙ НЕУСТОЙЧИВОСТИ НЕМАТИКА В ПЕРЕМЕННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ПОЛЯХ
Пикин С.А.
Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН, г. Москва, Россия
ON THE STRUCTURAL INSTABILITY OF A NEMATIC IN THE ALTERNATING ELECTRIC
FIELDS
Pikin S.
Shubnikov Institute of Crystallography, Federal Scientific Research Centre "Crystallography and Photonics," Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia
Аннотация
Показано, что помимо "истинных" электрогидродинамической (ЭГД) и флексоэлектрической (ФЭ) не-устойчивостей с бесконечными у-полосами на плоскости xy (при соблюдении необходимых условий) в системе есть ещё короткие ЭГД-образования и нерегулярные ФЭ-домены в осциллирующем электрическом поле.
Abstract
It is shown that besides the "true" electrohydrodynamic (EHD) and flexoelectric (FE) instabilities with endless у-stripes on xy-plane (at observance of neсessary conditions), there are short EHD-formations and irregular FE-domains in the plane system in the oscillating electric field.
Ключевые слова: неустойчивости, нематик- растворитель, инжекция электронов.
Keywords: instabilities, nematic-solvent, injection of electrons.
Опыт [1] показал, что нематик с отрицательной анизотропией электропроводности в переменном электрическом поле не испытывает истинную электрогидродинамическую (ЭГД) неустойчивость, которая (рис.) характеризуется большой протяженностью валов Ьу по оси у, их относительно малой толщиной (порядка толщины плёнки нематика <) Ьх, если начальная ориентация нематика во всём слое была параллельна оси х.
Другая возможность истинной неустойчивости нематика (НЖК - нематического жидкого кристалла), когда его исходная ориентация на границах (поверхности электродов) параллельна оси х, - флексоэлектриче-ский эффект (ФЭ). В этом случае истинная неустойчивость характеризуется большой протяженностью не-однородностей структуры (полос) Ьу по оси у, их относительно малой толщиной (порядка толщины плёнки нематика <) Ьх, слабыми неоднородностями в полосах. Статические эффекты радикально изменяются, если принять во внимание инжекционные свойства электродов [2, 3, 4].
Статические явления, как хорошо известно [5 - 7, 8], являются пороговыми для бесконечной наноплёнки в постоянном поле Е. В работе [1] условия для наблюдения "истинных" статических не-устойчивостей намеренно не соблюдались (здесь они служили только прекурсорами перестройки структур). Вместо них появлялись так называемые динамические "пули" - движущиеся ориентаци-онно деформированные части НЖК. Авторы работы [1] сделали интересное предположение об их солитонной природе. Прежде всего, следует под-
черкнуть конечность размеров этих участков нема-тика - протяженности неоднородностей (полос) Ьу по оси у и существования нерегулярной системы коротких поляризованных участков.
Вся эта картина существовала в осциллирующем электрическом поле (при действии высокочастотного электромагнитного поля и наличии электродов). Такое явление присуще жидкостям-электролитам, когда играют роль инжекционные свойства электродов [2, 3, 4]. Интенсивность потока инжектированных ионов зависит от напряженности электрического поля, созданного около поверхности электрода внешним источником. Можно думать, что требуется конечное время т для получения порции инжектированных электронов: "вырывания" электронов из электродов), связывания их с нематическими молекулами, "одевания" искажений ориентационной структуры захваченными электронами (искажения отрицательно заряжаются) и т.п. Тогда протяженность неоднородностей структуры (полос) Ьу имеет оценку
Lv ~ vv х т, vv ~ <Е2> х т
(1)
где средняя скорость заряженных (электронами) искажений уу в вязкой жидкости неизбежно зависит от <Е2>, как от среднего заряда этих искажений. Заметим, что число таких ориентационных возмущений НЖК зависит от интенсивности электромагнитного поля <Е2>, которая определяет плотность инжектированных электронов. О зависимости среднего значения скорости уу от <Е2>, как уу ~ <Е2>, убедительно
свидетельствует опыт [1]. Благодаря влиянию электромагнитных волн заряженные искажения возникают случайно, в случайных местах на электродах.
Величина т в выражении (1) существенно влияет на размер Ьу, который может быть мал (сравним с ЬХ) при малом времени т. Однако, из работы [1] видно, что в некоторых случаях эти длины могут быть велики. В наблюдаемых "искажениях", Ьу/Ьх ~ 10 ^ 20.
При малом количестве инжектированных носителей электрический ток ] по оси г и приложенное напряжение и пропорциональны, а количество инжектированных электронов вблизи катода уменьшается по мере увеличения тока электронов. Значение потенциала на аноде и складывается из параметров электрохимической системы, влияния внешних источников и структуры двойного электрического слоя. Как известно, имеется поток массы ионизированных молекул, сквозь покоящийся растворитель [3]. В данном случае растворителем выступает НЖК, в котором инжектированные ионы создают слабый постоянный ток - электрический ток отрицательных ионов.
Как было показано [2, 3, 5 - 7], распределения тока и зарядов по оси г являются устойчивыми. Неустойчивости связаны с зарождением указанных ориентационных возмущений с конечной протяженностью неоднородностей Ьу и существованием нерегулярной системы коротких поляризованных участков (такие участки есть следствие участия электрической поляризации в зарождении ориентационных возмущений). Здесь существуют соответствующие пороги и пороговые зависимости интенсивности поля от его частоты.
Благодаря взаимодействию инжектированного электронного облака с нематическими молекулами, могут образовываться связанные состояния инжектированных электронов с ароматическими электроактивными молекулами, имеющими отрицательные ионы [9]. На важную родь локализации и перераспределения ионов в солитонах указывают и японские авторы [10]. За образование связанного состояния аниона ответствен одночастичный резонанс с захватом электрона на определенную орби-таль. Данный механизм проявляется в образовании этого состояния с максимумом ионного тока. Все они в оптическом изображении выглядят как два
параллельных блока конечной длины (~ Ьу) и ширины (~ й) [1]. "Пули", заряженные одинаково, испытывают кулоновское отталкивание.
Полностью заряженные подвижные искажения, "одетые" таким образом электронами, напоминают уединенные волны: они могут распространяться, идя друг за другом и не мешая друг другу благодаря взаимному отталкиванию. При столкновениях с препятствиями шубы из электронов частично или полностью разрушаются, и такие волны в той или иной мере исчезают.
Заряженные искажения при встрече с электродом, разряжаются, сталкиваясь с ним, и уходят, образуя облако электронов. Одновременно, инжектированные электроны садятся на такие структурные образования, которые уносятся полем в противоположном направлении (по закону сохранения импульса системы). С ростом поля увеличиваются ин-жекция и количество заряженных искажений, которые начинают заполнять поле наблюдения, но с соблюдением симметрии движения вправо и влево по полосам в отдельных группах этих полос. При ещё более сильных полях «пуль» становится много даже на одной полосе, и возникает хаотическая картина заряженных искажений. Ясно, что необходимо аналитическое решение проблем, связанных с поведением электронного облака вблизи электрода.
Видимо, в образовании столбиков (рис.), как возмущений исходной однородной структуры, проявляется минимум ионного тока, если директор везде перпендикулярен потокам при отрицательной анизотропии электропроводности.
Итак, качественно выявлена возможность образования динамической системы полос, состоящих из движущихся заряженных дефектов нема-тика (прекурсоров ЭГД неустойчивости) на фоне невозмущенной нематической структуры. Это явление также является пороговым по интенсивности переменного электрического поля и зависящим от частоты, оно радикально зависит от потока инжектированных электронов. Необходимо дальнейшее экспериментальное исследование данных эффектов.
Эта работа поддержана Министерством Науки и Высшего образования в рамках Государственного задания ФНИЦ «Кристаллография и Фотоника» РАН.
Рис.
Рис. ЭГД-образование при относительно большой длине ориентационных возмущений Ьу по оси у; показаны столбики (пунктирные линии) этих возмущений и распределения потоков и сил внутри них (как в истинном ЭГД эффекте [7]). Видимо, в образовании этого столбика как возмущения исходной однородной структуры проявляется максимум ионного тока, когда директор местами становится почти параллелен потокам. В столбиках ортогональной ориентации (исходное однородное состояние нема-тика) проявляется минимум ионного тока, когда директор везде перпендикулярен потокам при отрицательной анизотропии электропроводности. Т.о. электроны не прилипают к молекулам планарно ориентированного нематика при отрицательной анизотропии электропроводности (основной фон), но прилипают (одевают в электронные «шубы») к искаженным структурам ("пулям") НЖК. Заряженные "пули" двигаются равномерно вдоль оси у со средней скоростью уу. ~ <Е2>, как показывают возмущения исходной однородной структуры, когда проявляется максимум ионного тока (см. рис.).
The scientific heritage No 39 (2019) ^исок литературы
1. Li B.-X., Borshch V., Xiao R.-L., Paladugu S., Turiv T., Shiyanovskii S.V., Lavrentovich O.D. // Nature Commun. 2018. V. 9. P. 2912. DOI: 10.1038/s41467-018-05101-y.
2. Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика. М.: Физматгиз, 1959. 700 с.
3. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. М.: Физматгиз, 1959. 532 с.
4. Ильин* В.А., Мордвинов А. Н, Петров Д. А. // 2015. ЖЭТФ, Т. 147. Вып. 1. C. 181. DOI: 10.7868/S0044451015010174
5. Пикин С.А., Уманский Б.А. // Кристаллография. 2018. Т. 63. No. 4. C. 615. DOI: 10.1134/S0023476118040215
6. Бобылев Ю.П., Пикин С.А. // ЖЭТФ. 1977. Т. 72. Вып. 1. С. 369.
7. Pikin S.A. Structural transformations in liquid crystals. New York: Gordon & Breach Science Publishers, 1991. 423 c.
8. De Gennes P.G. and Prost J. The Physics of Liquid Crystals. Clarendon Press, Oxford, 1993. pp. 597.
9. Пшеничнюк С.А., Кухто А.В., Кухто И.Н., Асфандиаров Н.Л. // Хим. физика. 2010. Т. 29. №№ 11. P. 82 2-96
10. Aya S., Araoka F. // Препринт "Kinetics of motile solitons in fluid nematics". Physicochemical Soft Matter Research Team, RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS), Japan.
ПОВЕРХНОСТНЫЕ СВОЙСТВА ВЫСОКОЭНТРОПИЙНОГО СПЛАВА Ti-Cu-Al-Sn-Fe
Юров В.М.
кандидат физ.-мат. наук, доцент Гученко С.А.
докторант PhD
Карагандинский государственный университет имени Е.А. Букетова,
Казахстан, Караганда
SURFACE PROPERTIES OF HIGH ENTROPY ALLOY Ti-Cu-Al-Sn-Fe
Yurov V.
Candidate of phys.-mat. sciences, associate professor
Guchenko S. PhD student
Karaganda State University named after EA. Buketova,
Kazakhstan, Karaganda
Аннотация
Синтезированы сплавы Ti-Cu-Al-Sn-Fe из микропорошков в эквимолярной пропорции в плавленом кварцевом тигле. Электронно-микроскопическое исследование было проведено на растровом электронном микроскопе MIRA 3. Для сплавов были определены поверхностное натяжение, толщина поверхностного слоя, микротвердость и коэффициент трения. Сплав Ti-Cu-Al-Sn-Fe представляет собой высокоэнтропийный материал, с очень низким коэффициентом трения.
Abstract
Synthesized Ti-Cu-Al-Sn-Fe alloys from micropowders in equimolar proportions in a fused silica crucible. Electron microscopy was carried out using a MIRA 3 scanning electron microscope. For alloys, surface tension, surface layer thickness, microhardness, and friction coefficient were determined. Ti-Cu-Al-Sn-Fe alloy is a highly entropic material with a very low coefficient of friction.
Ключевые слова: поверхность, высокоэнтропийный сплав, энергия, атомный объем, температура плавления.
Keywords: surface, highly entropic alloy, energy, atomic volume, melting point.
