О РОЛИ ФЛЕКСОЭФФЕКТА В СИНХРОНИЗАЦИИ ОСЦИЛЛЯЦИЙ ЭЛЕКТРОКОНВЕКТИВНЫХ РОЛЛОВ
В НЕМАТИКАХ
Э. С. Батыршин* А. П. Крехов, О. А. Скалдин, В. А. Делев
Институт физики молекул и кристаллов Уфимского научного центра Российской академии наук
450075, Уфа, Россия
Поступила в редакцию 29 сентября 2011 1".
Исследована динамика зиг-заг-осцилляций в системе конвективных роллов в нематическом жидком кристалле выше порога электроконвекции при воздействии переменного напряжения со смещенным положением среднего значения. Обнаружено, что увеличение вклада постоянной составляющей приводит к значительному росту пространственно-временной упорядоченности зиг-заг-роллов и их синхронизации с однородной твист-модой. Полученные данные свидетельствуют в пользу флексоэлектрического механизма синхронизации.
1. ВВЕДЕНИЕ
Нематические жидкие кристаллы (НЖК) являются одной из наиболее притягательных модельных систем для изучения универсальных аспектов образования и эволюции пространственно-временного порядка в различных неравновесных физических, химических и биологических системах [1, 2]. НЖК представляют собой анизотропную жидкость, характеризующуюся ориеитациоипым упорядочением молекул удлиненной формы. Преимущественное направление ориентации молекул НЖК описывается полем директора п [3]. Электроконвективная неустойчивость возникает при приложении к слою НЖК, заключенному между проводящими подложками, напряжения, превышающего некоторое критическое значение. При этом образуется периодическая система полос, представляющих собой пространственно-периодическую модуляцию поля директора и скорости течения НЖК (электроконвективные роллы). Непрекращающаяся активность в исследованиях электрокоивективных структур обусловлена необходимостью изучения возможных механизмов самоорганизации в сложных анизотропных системах. Относительная простота изменения контрольных параметров (амплитуды и частоты приложенного напряжения) и высокий оптический контраст возникающих структур вследствие оптиче-
Е-таП: batyrshmifflanrb.ru
ской анизотропии НЖК дают значительные преимущества при экспериментальных исследованиях электроконвекции .
Идеи Kappa [4] и Хельфриха [5] о механизме развития электроконвекции в анизотропных жидкостях привели к построению стандартной модели электроконвекции [3,6 9], в рамках которой были рассчитаны пороговые характеристики неустой-чивостей. Сценарий неустойчивости определяется знаками анизотропии диэлектрической проницаемости еа и проводимости аа и исходным распределением поля директора [10, 11]. С точки зрения стандартной модели, необходимым условием возникновения электроконвективной неустойчивости является положительный знак анизотропии проводимости, (та >0. Обнаружение режима так называемой нестандартной электроконвекции в НЖК с (та < 0 [11 13], при котором конвективный механизм Kappa Хельфриха не работает, инициировало дальнейшее развитие теоретических моделей. Нестандартная электроконвекция получила свое объяснение в рамках модели, учитывающей флексополяри-зацию [14, 15] и дающей хорошее количественное согласие с экспериментальными пороговыми характеристиками. Существенное влияние флексополярпза-ции на электроконвекцию было продемонстрировано ранее также и для НЖК с аа > 0 [16, 17].
В отличие от порога образования электроконвективных роллов, который к настоящему времени до-
статочно детально исследован экспериментально и теоретически, поведение системы в закритической области гораздо менее изучено. Характерной особенностью электроконвекции в НЖК выше порога образования конвективных роллов является большое многообразие вторичных иеустойчивостей и сценариев эволюции неравновесных структур, обусловленное различными нелинейными взаимодействиями гидродинамических и ориеитациоипых мод. Одним из наиболее важных механизмов, определяющих развитие вторичных иеустойчивостей в за-критической области, является возбуждение однородной (в плоскости слоя) твист-моды директора [18, 19]. Было установлено, что увеличение приложенного переменного напряжения выше порога электроконвекции в планарном слое НЖК приводит к возбуждению твист-моды и сопровождается образованием так называемых анормальных (abnormal) роллов [18, 20, 21]. Кроме того, взаимодействие твист-моды с конвективными модами роллов в переменном электрическом поле может приводить к развитию локальных осцилляций между двумя вырожденными состояниями наклонных роллов (так называемых зиг- и заг-роллов) [19]. Динамика таких осцилляций представляет собой типичные картины пространственно-временного хаоса [22].
При воздействии постоянного электрического поля развитие электрокоивекции в закритической области может приводить к формированию двумерной структуры, представляющей собой суперпозицию зиг- и заг-роллов [23, 24]. Потеря устойчивости такой структуры также ведет к развитию зиг-заг-ос-цилляций.
Их отличительной особенностью является фазовая синхронизация, проявляющаяся в генерации фазовых волн: бегущих, спиральных и концентрических [25, 26]. Ранее были описаны некоторые свойства зиг-заг-осцилляций в постоянном электрическом поле [27 29], однако механизм их возникновения остается практически не изученным.
В данной работе для исследования роли твист-моды и выявления механизма пространственно-временной синхронизации зиг-заг-осцилляций использовалось комбинированное воздействие переменного и постоянного напряжений. Изучался режим развитых зиг-заг-осцилляций при электрокоивекции в планарном слое НЖК.
2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Ячейка представляла собой плоский конденсатор с прозрачными стеклянными обкладками, на вну-
треннюю поверхность которых был нанесен проводящий слой SnO-2. Механическое натирание подложек обеспечивало планарную ориентацию директора (n0 II х), которая контролировалась методом вращения кристалла. Ячейка, заполненная МББА (TCI Europe), помещалась в термокамеру Instec и располагалась на столике поляризационного оптического микроскопа Zeiss Axio Imager. Толщина слоя НЖК, определенная иптерферометрическим методом, составляла d = 25 ± 0.3 мкм. Исследования проводились при температуре Т = 28 ± 0.05 °С. Интенсивность света, прошедшего через ячейку размером 0.9 х 0.9 мм2, регистрировалась CCD-камерой PCO VX44 в плоскости ху слоя с пространственным разрешением 512 х 512 точек, частотой выборки 25 Гц и 256 уровнями серого цвета. Полученные изображения обрабатывались на компьютере. Применялась схема наблюдений, чувствительная к твист-деформации директора: поляризатор перпендикулярен начальной ориентации директора По, анализатор параллелен По, между ячейкой НЖК и анализатором установлена фазовая пластинка А/4 под углом 45° к п0 [21, 30].
К ячейке прикладывалось переменное напряжение прямоугольной формы со смещенным положением среднего значения,
U = Uас sigri(siriuíí) + Udeli качестве источника напряжения использовался цифроаналоговый преобразователь L-card-1250, сопряженный с усилителем Tabor-9200. Частота переменного напряжения и/2тг = 20 Гц соответствовала режиму проводимости. Для каждой комбинации амплитуд Uас, U¿с регистрировались последовательности изображений Io(x,y,t) длиной 1024 кадра. Каждое изображение последовательности нормировалось на фоновое, полученное при пулевом приложенном напряжении:
/(.г, y,t) = lo (-У-Л)/1во (-<: -у)-
Для анализа наблюдавшихся структур вычислялся усредненный по времени структурный фактор (квадрат модуля преобразования Фурье)
Характеристики временной динамики структуры для каждой последовательности изображений определялись из усредненного по пространству частотного спектра мощности:
5(/) = (\r¡ /(.г, y,t)\2)*,v
12 ЖЭТФ, выи. б
1201
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИИ И ОБСУЖДЕНИЕ
При воздействии переменного напряжения с амплитудой и ас = 6 В (и¿с = 0) в слое МВБ А наблюдается электроконвективная неустойчивость в виде хорошо известных «нормальных» роллов (волновой вектор к параллелей начальной ориентации директора По). С увеличением приложенного переменного напряжения наблюдается следующая последовательность переходов: зпг-заг-неустой-чивость, сопровождающаяся образованием наклонных роллов, переход к «анормальным» роллам «варикозная» неустойчивость. Данный сценарий переходов был предсказан в рамках расширенного нелинейного анализа стандартной модели электрогидродинамики НЖК, учитывающего активацию однородной твист-моды [18, 19]. В отличие от ряда предшествующих исследований [18, 22, 31], нам впервые удалось наблюдать полную последовательность вторичных неустойчнвостей.
Дальнейшее увеличение напряжения приводит к возникновению в системе бимодальной зиг-заг-структуры, и при иас = 8.5 В наблюдаются развитые зиг-заг-осцилляции (рис. 1«). На рис. 1« видны также светлые и темные области, соответствующие однородной твист-моде директора. Характерно, что в области однородной твист-моды одного знака (светлая область, выделенная контурной линией) существуют роллы как зиг-, так и заг-типа, что говорит о слабой корреляции локальной динамики конвективных мод роллов и однородной твист-моды.
В исследованиях поведения системы при комбинированном воздействии переменного и постоянного напряжений величины иас н и ¿с меняли таким образом, чтобы среднеквадратичное напряжение игтя = \/и'аС + и$с оставалось неизменным. При игтй = 8.5 В, что соответствует режиму развитых зиг-заг-осцилляций при воздействии переменного напряжения, увеличение постоянной составляющей II¿с выше некоторого порогового значения приводит к существенному изменению картины осцил-ляций (рис. 16). Размеры областей, занятых роллами одного типа (зиг или заг), значительно увеличиваются, что проявляется в сужении соответствующих рефлексов в структурном факторе (рис. 16). Кроме того, в отличие от поведения системы при II¿с = 0, в областях с твист-модой одного знака существуют роллы только одного типа, что говорит о синхронном поведении конвективной моды роллов и однородной твист-моды. Зиг-заг-осцилляции ста-
9/Ш*
л 1 *
Рис. 1. Характерные картины электроконвекции (слева) (показана область размером 0.45x0.45 мм2) и усредненные по времени структурные факторы (справа). Начальная ориентация директора вдоль
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.