Структура та електрооптичні властивості індукованих холестеричних рідких кристалів

Третій розділ дисертації присвячено експериментальному дослідженню впливу параметрів керуючих сигналів на електрооптичні характеристики холестерико-нематичного переходу в індукованих холестериках.

В підрозділі 3. 1 розглянуто питання, пов’язані з індукуванням мікродомішкою надмолекулярної структури в нематичній матриці в теоретичному аспекті. Показано, що мікродомішка, внесена в нематичний рідкий кристал, створює навколо себе область з деформованим розподілом директора (макродомішку), причому розміри цієї області значно перевищують розміри самого мікровключення і цим забезпечується ефективна взаємодія з іншою макродомішкою шляхом деформації пружного поля директора. Визначена енергія взаємодії таких макродомішок в залежності від відстані, геометричних та фізичних параметрів макродомішок, розглянуто поведінку термодинамічної системи сукупності макродомішок та умови виникнення нових структур і їх параметри.

В підрозділі 3. 2. дана характеристика об’єктів досліджень. В якості нематичних матриць використовувались такі речовини: n-гексилоксифеніловий ефір n-капроноксибензойної кислоти, n-гексилоксифеніловий ефір n- бутоксибензойної кислоти, n-гептилоксифеніловий ефір n- гексилоксибензойної кислоти, 4-октил-4' ціанобіфенiл (8ЦБ), 4-бутил-4' метоксиазоксибензол (БМАОБ), 4 бутил-4' гептаноїл оксиазоксибензол (БГОАОБ), 4-пентил-4'-ціанобіфеніл (5 ЦБ), суміш фенілбензоатів (ЖК-1000), суміш азоксисполук (ЖК-440), алкоксибензойні кислоти, CЖК-1.

Для створення індукованої спіральної структури в нематичні матриці вводились ефіри холестерину, члени гомологічного ряду одноосновних карбонових кислот. Наведені основні параметри рідких кристалів, а саме, температурні інтервали існування рідкокристалічних фаз, довжини молекул та їх дипольні моменти. Просторова будова відповідних конформацій молекул, їх довжина та величина дипольних моментів були одержані за допомогою пакета програм HYPERCHEM (V 5. 0) з використанням методу ММ+. Цей метод базується на молекулярній механіці: атоми в молекулі вважаються кульками відповідного діаметра, які взаємодіють між собою. Потенціальна енергія взаємодії залежить від довжини зв’язків у молекулі, кутів між зв’язками, торсійних кутів, а також ковалентних взаємодій, до яких входять сили Ван-дер-Ваальса, електростатичні взаємодії та водневі зв’язки. В ході обчислень просторова будова даної конформації молекули вибирається таким чином, щоб загальна енергія взаємодії була мінімальною. Коротко описані методики одержання сумішей та експериментальних комірок.

В підрозділі 3. 3. розглянуто вплив параметрів керуючих сигналів на електрооптичні характеристики холестерико-нематичного переходу. Показано, що динаміка трансформації холестеричної рідкокристалічної структури під дією електричного поля істотно залежить від таких параметрів електричного поля як частота, швидкість зміни його до максимального значення, величина максимального значення поля. Гістерезисні властивості переходу суттєво залежать і від швидкості зміни поля від максимального значення до нуля. Розроблено методику досліджень характеристик індукованих холестериків та обґрунтовано вибір оптимальних параметрів керуючих сигналів з метою отримання достовірних та відтворюваних результатів.

Для коректного визначення параметрів рідкокристалічних матеріалів з залежностей оптичного пропускання від величини поля, прикладеного до зразка, швидкість зміни амплітуди керуючого сигналу слід обирати, орієнтуючись на суміші з мінімальною концентрацією ОАД.

Оптимальними є такі параметри керуючих сигналів:

максимальна амплітуда сигналу 2UCN;

швидкість зміни керуючого сигналу 1, 3 В/с;

форма сигналу заповнення – однополярний сигнал трикутної форми;

частота заповнення сигналу трикутної форми – 40 Гц.

Методика визначення констант пружності індукованих холестериків представлена в підрозділі 3. 4. Нами запропоновано методику визначення констант пружності К22 та К33 індукованих холестериків на основі досліджень електрооптичних характеристик холестерико-нематичного переходу, діелектричних властивостей та кроку індукованої спіралі. Згідно з математичною моделлю Кавачі-Когуре порогові поля прямого та зворотного холестерико-нематичного переходів можна представити у вигляді:

(2)

(3)

де Еcn, Enc- відповідно напруженості полів прямого та зворотного холестерико – нематичного переходів; Po – вільний крок холестеричної спіралі; d – товщина шару рідкого кристала; Fsc, Fcn – густини поверхневих енергій відповідних станів рідкого кристала.

Ці вирази дають можливість врахувати вплив поверхні на порогові поля через густини поверхневих енергій у відповідних станах.

Вираз для порогового поля прямого переходу має вигляд:

З вольт-контрастних характеристик холестерико-нематичного переходу можна визначити значення порогового поля Еcn для індукованого холестерика з певним значенням кроку індукованої спіралі та величини . Для визначення константи пружності К22 результати досліджень представляємо у вигляді Еcnd = f (d/Po). Лінійну апроксимацію експериментальних даних проводимо методом найменших квадратів за допомогою спеціалізованого пакету NUMERI (C) EMT V. 2. 00.

З залежності критичного поля прямого переходу знаходимо константу пружності К22, і за відомою величиною К22, з залежності критичного поля зворотного немато-холестеричного переходу – константу пружності К33. Аналіз відносної похибки вимірювань констант пружності показує, що константа пружності К22 одержується з точністю до 5% і, в основному, визначається точністю вимірювань порогових полів холестерико-нематичного переходу, а константу пружності К33 у випадку лінійної апроксимації експериментальних результатів можна оцінити лише якісно. Для одержання точніших значень константи пружності К33 необхідно дещо змінити методику обчислення цієї величини.

Потрібно зробити деякі зауваження відносно процедури обробки експериментальних результатів. Аналіз експериментальних залежностей порогових полів прямого переходу від d/P0 показує, що в області 0< d/P0<1 спостерігаються нелінійні ділянки, обумовлені сильним впливом обмежувальної поверхні (рис. 2). При обробці експериментальних даних ці ділянки не враховувались, і ми обмежувались значенням d/P0=1. На експериментальних залежностях порогового поля зворотного немато-холестеричного переходу від d/P0 в області малих d/P0 спостерігаються такі самі нелінійні ділянки, однак різка нелінійність цих характеристик спостерігається в значно ширшому інтервалі значень d/P0.

Рис. 2. Залежності критичної напруги ХНП від параметра d/P0 для індукованих холестериків