научная статья по теме АНОМАЛИИ МЕНИСКА МИКРОВКЛЮЧЕНИЙ В СВОБОДНО ПОДВЕШЕННЫХ СМЕКТИЧЕСКИХ ПЛЕНКАХ Физика

Текст научной статьи на тему «АНОМАЛИИ МЕНИСКА МИКРОВКЛЮЧЕНИЙ В СВОБОДНО ПОДВЕШЕННЫХ СМЕКТИЧЕСКИХ ПЛЕНКАХ»

Письма в ЖЭТФ, том 102, вып. 4, с. 269-274 © 2015 г. 25 августа

Аномалии мениска микровключений в свободно подвешенных

смектических пленках

П. В. Долганов+, В. К. Долганов+, Е. И. Кац* V + Институт физики твердого тела РАН, 143432 Черноголовка, Россия * Институт теоретической физики им. Ландау РАН, 117940 Москва, Россия

Поступила в редакцию 13 июля 2015 г.

Показано, что мениск у микровключений в свободно подвешенных смектических пленках может существенно отличаться от мениска у плоской поверхности. Измерения проведены в смектических А пленках, в которые диспергировались капли глицерина. При формировании мениска у капли глицерина происходит увеличение его размера и рост связанного с этим потока материала в центральную часть мениска с параллельным растворением глицерина в пленке. Структурная неустойчивость, связанная с различной кривизной поверхностей у мениска микровключений, и гидродинамическая неустойчивость, связанная с движением материала, могут приводить к трансформации частиц с мениском в другие структуры.

БО!: 10.7868/80370274X15160109

Свободно подвешенные смектнческне пленки [1,2] являются уникальными объектами с физическими свойствами, кардинально отличающими их от других хорошо известных состояний вещества. К последним можно отнести не только газ, жидкость, твердое тело, но и объемные фазы смектических жидких кристаллов. На масштабах, существенно превышающих толщину, смектические свободно подвешенные пленки можно рассматривать как новое двумерное агрегатное состояние вещества, погруженное в трехмерное пространство. Существование дополнительных трехмерных степеней свободы (изгиб пленки в направлении нормали, образование мениска) приводит к необычным свойствам пленок, не имеющим аналогов в чисто двумерных и трехмерных фазах. Само существование пленки обязано внешнему мениску вокруг нее. Последний, создавая упругое напряжение в пленке и разность давлений в пленке и воздухе, позволяет ей оставаться двумерной в трехмерном пространстве. Устойчивость смектических пленок связана с поперечной упругостью смектических слоев, которая сопротивляется растягивающему давлению мениска.

Многие физические явления в свободно подвешенных пленках связаны с существованием мениска (сжатие смектических слоев, движение дислокаций, послойные фазовые переходы утоныпения и т.д. [3— 6]). Из-за наличия дислокаций в смектическом мениске, упругости слоев и внутрислоевой двумерной

^е-таП: efim.i.kats@gmail.com

упругости мениски в свободно подвешенной смекти-ческой пленке и в жидкости кардинально отличаются как по физике образования, так и по геометрической форме [3,7]. В пленке из изотропной жидкости форма мениска определяется гравитационной капиллярной длиной о. = \/^/{рд), где 7 - поверхностное натяжение, р - плотность, д - ускорение свободного падения, т.е. конкуренцией между поверхностным натяжением и силой тяжести. Вдали от стенки высота мениска экспоненциально уменьшается с расстоянием до стенки: ¡г{х) ~ аехр(— х/а). В смектических пленках гравитационные эффекты играют пренебрежимо малую роль и их можно не учитывать. Расчеты показывают, что форма мениска близка к сферическому сегменту и не зависит от гравитации [3]. Образование мениска связано с конкуренцией между поверхностным натяжением и энергией линейного натяжения возникающей дислокационной структуры.

Внешний мениск пленок (мениск, окружающий пленку) и связанные с ним явления подробно исследованы в группе Пьеранского [1] и Освальда [3]. Теоретические расчеты подтверждены прецизионными измерениями. Показано, что профиль мениска в соответствии с теорией имеет постоянную кривизну, что приводит к разности давлений в воздухе и в смек-тической пленке, ДР = 7/Д, где Д - радиус мениска. Типичные разности давлений 102 — 103 дин/см2 [3]. Вместе с тем мениск связывает не только пленку с внешней средой. Он образуется и у различного рода посторонних включений или частиц, находящихся в пленке. В последние годы открыт и интенсивно ис-

следуется широкий круг явлений, связанных с частицами в пленке, процессами, вызванными движением жидкой фазы при образовании мениска, важных как для фундаментальной науки, так и для различных технических приложений. Здесь в первую очередь следует отметить поведение коллоидных частиц в двумерных системах, биологических объектах, взаимодействия и самоорганизацию частиц на далеких (по сравнению с размерами частиц) расстояниях, связанные с деформацией поля молекулярного упорядочения пленки [8-12]. Многие из этих и других явлений в свободно подвешенных смектических пленках определяются характеристиками поверхности, окружением частиц и в конечном счете, как правило, мениском, связанным с частицей. В то же время о мениске микрочастиц, в частности капель жидкости, в смектических пленках, несмотря на исключительную важность, к настоящему времени известно крайне мало. Формирование мениска у капель -сложный и практически не изученный процесс, сопровождаемый уменьшением размеров капли и увеличением мениска при встречных движениях жидкого кристалла к капле и растворении молекул жидкости в пленке.

В настоящей работе проведены исследования мениска, образующегося вокруг микрокапель глицерина в смектических A (SmA) свободно подвешенных пленках. Обнаружено, что форма мениска вблизи капли отличается от круговой. Отличие формы мениска от круговой у капель малых размеров может приводить к нестабильности, трансформации структуры мениска и его переходу в смектический остров и частицу в острове с мениском меньшего размера. Дано объяснение наблюдаемым эффектам, связанное с тем, что главные радиусы кривизны поверхности мениска близки по величине, что кардинально меняет распределение давления внутри него по сравнению с мениском у плоской стенки.

Измерения проведены в свободно подвешенных пленках жидкого кристалла 4'-октил-4-бифенилкарбонитрил (Sigma-Aldrich), образующего SmA-фазу при комнатной температуре. Смекти-ческие пленки толщиной от шести до более чем сотни смектических слоев приготовлялись в 5-миллиметровом круглом отверстии в стеклянной пластинке. Толщина пленок определялась по интенсивности отражения от них света [13]. Капли в приготовленной однородной по толщине пленке создавались с использованием диспергатора, содержащего раствор глицерина в воде с концентрацией 1-3.5%. После испарения воды в пленке оставались капли глицерина. Размер капель составлял

от нескольких единиц до нескольких десятков мкм (рис. 1а). Смектический жидкий кристалл

Рис.1, (а) - Капли глицерина (темные точки) после их диспергирования в свободно подвешенной смекти-ческой пленке. Возле капель образуется мениск, размер которого со временем увеличивается. (Ь) - Капля глицерина с мениском, образовавшимся возле капли. В правой части фотографии виден внешний мениск пленки. Фотография b снята в отраженном монохроматическом свете (Ао = 550 нм). Г = 2411 С. Толщина пленки 8 (а) и 72 (Ь) смектических слоя. Горизонтальный размер фотографии 739 мкм (а) и 123 мкм (Ь)

смачивает капли глицерина, т.е. 7sa > 7sg, где 7sa — поверхностное натяжение границы жидкий кристалл-воздух, 7sg — натяжение границы жидкий кристалл-глицерин. Молекулы жидкого кристалла ориентируются планарно на поверхности глицерина. Это приводит к подъему смектических слоев вблизи верхней части капли и опусканию вблизи нижней, т.е. к образованию мениска, что уменьшает поверхностную энергию системы капля-пленка. После испарения воды размер мениска быстро возрастает. Формирование мениска у капель происходило за время порядка 102 с. При изучении формы мениска

Аномалии мениска мпкровключенпй в свободно подвешенных смектпческпх пленках

271

пленки освещались через светофильтр с An = 550 нм. Измерения проводились с использованием микроскопа в отраженном свете, оборудованного цифровой камерой ALTRA 20 и спектрометром Ayantes 2048L.

На рис. 1Ь приведена фотография капли глицерина, окруженной мениском (темные и светлые кольца в отраженном свете), в пленке толщиной N « 72 смектических слоев. Радиус капли глицерина, находящейся в центре, составляет порядка 5мкм. В правой части рисунка виден мениск у границы пленки. Профиль мениска определялся по положению интерференционных полос в отраженном свете. Форма мениска у капли измерялась в плоскости, перпендикулярной пленке и проходящей через центр капли. На рис. 2 приведены формы внешнего мениска (откры-

та (цт)

Рис. 2. Форма внешнего мениска пленки (открытые кружки) и мениска у капли (закрытые кружки). Сплошная кривая - подгонка профиля внешнего мениска дугой окружности (Дх = 1.395мм). Штриховая линия - подгонка профиля мениска капли в интервале 17.5-38.3мкм дугой окружности (Дх = 0.623мм). Измерения проведены для внешнего мениска и мениска у капли с рис. 1Ь по положению интерференционных полос. Горизонтальная линия в правой части рисунка -свободно подвешенная пленка однородной толщины

тые кружки) и мениска у капли (закрытые кружки). Горизонтальные линии в правой части рисунка показывают полутолщину свободно подвешенной пленки однородной толщины, в которой находится капля с мениском. Сплошная кривая - результат подгонки дугой окружности экспериментальных данных по профилю внешнего мениска. Экспериментальная зависимость описывается дугой окружности радиуса Д.1 « 1.395 мм, что близко к величине Д « 1.17 мм, измеренной Освальдом [3] на смеси 8СВ + 20 % 10СВ. Такие подгонки дают отношение Дх = 7эа/АР. Используя типичное значение 7эа = 25дин/см, получим ДР = 180дин/см2. Штриховая кривая - ре-

зультат подгонки дугой окружности части профиля мениска капли, примыкающего к пленке в интервале 38.3-17.5 мкм. Экспериментальная зависимость в этой области описывается дугой окружности радиуса Дх « 0.623 мм, существенно меньшего радиуса внешнего мениска.

Вблизи капли (г < 15 мкм) наблюдается существенное изменение кривизны мениска капли (рис. 2). Отличие радиусов кривизны Дх у плоской стенки и у капли малого размера связано с различной формой менисков. Как характеристика кривизны в теории поверхностных явлений часто используется средняя кривизна поверхности С. Она связана с главными радиусами кривизны Дх и

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком