Структура та електрооптичні властивості індукованих холестеричних рідких кристалів

На рис. 4 наведено залежність величин оберненого кроку від концентрації ОАД, якщо домішкою служить один з ефірів холестерину, а нематичною матрицею – суміші з різним вмістом сильнополярної компоненти. При фіксованій концентрації домішки величина кроку зростає зі збільшенням концентрації сильнополярної компоненти в матриці. Враховуючи, що кореляційна довжина збільшується з ростом концентрації сильнополярної компоненти в матриці, констатуємо, що зростання смектичних флуктуацій, а відповідно, трансляційної впорядкованості нематичної матриці приводить до зменшення закручуючої здатності холестеричних молекул.

Проаналізовано характер залежності закручуючої здатності холестеричних молекул в нематичних матрицях, які мають низькотемпературну смектичну А-фазу при деяких приведених температурах в залежності від концентрації сильнополярної компоненти і показано, що особливості сформованої структури в матрицях з 30% та 40% вмістом сильнополярної компоненти проявляються на них. Саме при цих концентраціях на даних залежностях маємо мінімальне значення закручуючої здатності.

В підрозділі 4. 6 проаналізовано температурну залежність кроку індукованої спіралі як в теоретичному, так і в експериментальному планах. Показано, що для ряду молекулярно-статистичних теорій основою є наявність функціонального зв’язку між параметром порядку та кроком холестеричної спіралі. Подальший розвиток теоретичних підходів показав, що необхідно враховувати ефекти ближнього порядку, щоб пояснити ряд температурних залежностей кроку. З трансляційною впорядкованістю пов’язане і зростання кроку зі зниженням температури в індукованих холестериках на основі смектогенних матриць. Ряд робіт присвячено впливу конформаційної перебудови молекул холестериків при зміні температури на температурну залежність кроку. На основі даних про температурну залежність поздовжніх кореляційних довжин проаналізовано характер температурної поведінки кроку індукованої спіралі. Показано, що характер температурної поведінки поздовжніх кореляційних довжин визначає температурну поведінку кроку. Це проаналізовано на прикладі як несмектогенних матриць, так і матриць, що мають низькотемпературні смектичні А-фази. Так, наприклад, у матрицях на основі азоксисполук та пентилціанобіфенілу при індукуванні холестеричної структури висока температурна стабільність кроку в системах з вмістом 80-90% сильнополярної компоненти зумовлюється високотемпературною стабільністю флуктуаційно виникаючих шарових структур. Критичне зростання кроку в системах, які мають низькотемпературну А-фазу, на прикладі матеріалів на основі азоксисполук та октилціанобіфенілу, пов’язане з критичним зростанням величин поздовжніх кореляційних довжин.

Підрозділ 4. 7 присвячений дослідженню деформації спіральної структури в тонких шарах рідких кристалів.

Відомо, що в тонких шарах рідких кристалів при зміні кроку спіралі, товщини або температури мають місце різні текстурні перетворення, пов’язані з конкуренцією об’ємних та поверхневих ефектів. Кількісна оцінка цих ефектів визначається такими параметрами як енергія зчеплення, крок індукованої спіралі, товщина зразка та константи пружності рідкокристалічного матеріалу. Основний недолік ряду математичних моделей полягає в тому, що в них у явному вигляді не фігурує поняття енергії зчеплення молекул рідкого кристала з підшарком, а вона враховується опосередковано через товщину зразка. Зміна кроку за рахунок дії поверхневих сил задається виразом:

,

де,

2L – товщина комірки,

n – кількість півкроків спіралі, що вкладаються в товщину комірки,

 – безрозмірний параметр, який характеризує силу зчеплення.

Для коректного врахування впливу поверхневих ефектів необхідно враховувати напрямок дії сил на обмежувальних поверхнях. Це врахування приводить до якісно нового результату, а саме, в залежності від величини d/P0 сили, що діють на поверхні, можуть розтягувати або стискати спіральну структуру і таким чином крок Р0 може змінюватися як у сторону збільшення, так і в сторону зменшення (рис. 5). Аналогічного результату можна досягти в розглянутій математичній моделі, якщо величина

де n – найближче ціле число до величини 4L/P0.

Рис. 5. Розрахункові залежності кроку надмолекулярної спіральної структури від відношення d/P0: 1- крок у необмеженому зразку; 2- деформований крок спіралі при =3; 3- крок в комірці з абсолютно жорсткими граничними умовами.

Питанню концентраційно-температурної залежності констант пружності присвячено підрозділ 4. 8.

При аналізі аномальної поведінки констант пружності в нематичній фазі поблизу фазового переходу нематик – смектик А встановлено, що ці явища пов’язані з ростом флуктуацій смектичного параметра порядку при наближенні до точки фазового переходу. Вирази для констант пружності можуть бути представлені у вигляді:

де  - власне нематичний член, зв’язаний з орієнтаційним параметром порядку  ~S2, а член   зв’язаний зі смектичними флуктуаціями і пропорційний величині кореляційної довжини ~II. В області температур, близьких до TS, температурною залежністю S можна знехтувати і вважати, що  ~||, однак екстраполяція цієї залежності в область температур аж до TNJ неправомірна, і необхідно враховувати, що  ~||S. Таким чином, не можна нехтувати смектичними флуктуаціями безпосередньо перед переходом речовини в ізотропну рідину. Проведені нами рентгенівські дослідження рідких кристалів з наявністю або відсутністю низькотемпературної смектичної фази переконливо довели, що флуктуаційна шарова структури притаманна речовині безпосередньо перед переходом в ізотропну рідину і навіть в ізотропній рідині ми спостерігаємо наявність дуже розмитих дифракційних профілів.

Дослідження порогових полів ХНП, величини кроку індукованої спіралі та діелектричної анізотропії індукованих холестериків дало змогу розрахувати згідно з запропонованою нами методикою константи пружності К22 та К33, а на основі даних з температурних залежностей вказаних величин і температурну залежність констант пружності.

Встановлено, що в певному концентраційному інтервалі оптично активної домішки в нематичній матриці константи пружності індукованих холестериків не залежать