АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2008, том 54, № 2, с. 219-236
^=ФИЗИЧЕСКАЯ АКУСТИКА =
УДК: 534.535
СТРУКТУРНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В ЖИДКИХ КРИСТАЛЛАХ, ИНИЦИИРОВАННЫЕ УЛЬТРАЗВУКОМ (ОБЗОР)
© 2008 г. О. А. Капустина
Акустический институт им. Н.Н. Андреева 117036 Москва, ул. Шверника 4 E-mail: oakapustina@yandex.ru Поступила в редакцию 21.09.06 г.
Систематизированы и обобщены результаты исследований по основным направлениям проблемы структурных превращений в слоях жидких кристаллов с гомеотропной и планарной макроструктурами в поле ультразвуковых продольных, поверхностных и сдвиговых волн.
PACS:61.30.-V, 64.70.Md
введение
Проблема структурных превращений в жидких кристаллах (ЖК) под воздействием акустических колебаний сформировалась на основе достижений целого ряда научных дисциплин (акустики, кристаллографии, оптики, математики, электроники, химии), что делает ее исследование достаточно сложной задачей, но вместе с тем создает весьма благоприятные условия для появления новых и неожиданных идей. Известно, что жидкокристаллическое состояние вещества возникает при определенных условиях в органических соединениях с молекулами, имеющими в одном из направлений явно выраженную плоскостность или протяженность [1]. Между такими молекулами действуют дисперсионные силы и силы водородной связи, что ведет к возникновению ориента-ционного порядка и появлению макроскопической анизотропии свойств: оптических, магнитных, электрических, акустических и т.п. Существенно, что, несмотря на определенную упорядоченность молекул, вещество в ЖК-состоянии сохраняет текучесть. Сочетание текучести и анизотропии свойств определяет уникальные особенности структурных превращений ЖК во внешних полях. Принято классифицировать ЖК по их симметрии: среди термотропных ЖК различают не-матическую, холестерическую, смектические А и С фазы (рис. 1а-г). Нематический ЖК (НЖК) характеризуется дальним ориентационным порядком, полной свободой перемещения центров тяжести отдельных молекул в пространстве и их вращений вокруг длинных (иногда и коротких) осей. В холестерическом ЖК (ХЖК) также имеется ориентационный порядок и отсутствует трансляционный порядок, но эту фазу образуют соединения с оптически активными молекулами, и благодаря асимметрии таких молекул возника-
ет макроскопически закрученная спиральная структура с шагом Р и осью спирали Н, перпендикулярной плоскости холестерических слоев. У смектических фаз А и С (СЖК А и СЖК С) имеет место одномерный (вдоль оси ¿) позиционный порядок, а различаются эти фазы лишь наличием согласованного наклона молекул в фазе С. Существенно, что в ЖК-состоянии вещество может находиться только во вполне определенном интервале температур, и существуют, по крайней мере, две точки фазового перехода: точка плавления и
Рис. 1. Схемы расположения молекул термотропных ЖК в наиболее известных фазах: нематическая (а), холестерическая (б), смектическая А (в), смектическая С (г); единичный вектор п - "директор" ЖК.
219
4*
точка просветления, соответствующие переходу кристаллического состояния в ЖК и ЖК в изотропное состояние, причем абсолютные значения температур перехода изменяются от вещества к веществу.
При исследованиях ЖК помещают в плоские капилляры, твердые стенки которых оказывают на вещество двоякое воздействие: а) изменяют структуру и свойства пограничного с ними ЖК; б) задают граничные условия для всего образца. Для описания ориентационного упорядочения молекул в ЖК введено понятие единичный вектор п (директор) (рис. 1а). В НЖК и СЖК он характеризует среднее направление молекулярных осей в макроскопическом, но малом по сравнению с размерами образца объеме. У ХЖК директор определяется для макроскопической области, малой по сравнению с шагом спирали Р. Различают следующие основные типы поверхностной ориентации ЖК: гомеотропную (ф = 0), планарную (ф = = п/2) и наклонную (0 < ф < п/2). Известно, что можно создать два вида планарной ориентации молекул в слое ЖК: гомогенную (все его молекулы ориентированы в плоскости подложки в одном направлении) и гетерогенную (существует несколько различных направлений ориентации молекул в этой плоскости). Ориентацию директора ЖК на поверхности пластин, которые ограничивают ЖК, задают соответствующей обработкой их поверхностей [1, 2]. В феноменологической теории ЖК влияние поверхности в полной свободной упругой энергии Р учитывают через поверхностную энергию Р.; Р = Р^Щ, п) + Р.(W, ф, у); здесь - объемная упругая энергия Франка, Щ -модули упругости Франка, W - энергия сцепления, у и ф - углы, определяющие положение директора п НЖК в пространстве (рис. 1а) [1]. Отметим, что значения энергии сцепления W у ЖК лежат в области (10-5 - 1)эрг/см2, и возможность существования столь малых величин до сих пор остается загадкой современной физики. Более подробные сведения общего характера о природе жидкокристаллического состояния, структуре и физических свойствах ЖК можно найти в известных монографиях [1-3].
В настоящее время можно утверждать, что многие общие проблемы физики ЖК, в основном, решены, тогда как ситуация в акустике ЖК - совершенно другая. В частности, одна из основных ее проблем - структурные переходы ЖК в волновых полях - даже теоретически исследована еще далеко не полностью. Вместе с тем со времени написания монографии [4], где обсуждению этой проблемы было уделено должное внимание, прошло более 20 лет. За эти годы, с одной стороны, появилось большое число оригинальных научных работ по данной проблеме, а с другой, - происходило все большее естественное размежевание ее отдельных областей. Эта общая для всех наук
тенденция развития постепенно привела к формированию совершенно независимых направлений исследований по данной проблеме. Такое размежевание обусловлено как спецификой акустически инициированных структурных превращений ЖК в различных частотных диапазонах, так и разницей подходов при интерпретации результатов наблюдений. Так, на звуковых частотах, где длина Xv вязкой волны в ЖК такова, что справедливо неравенство Xv > d (d - толщина слоя), для анализа структурных превращений ЖК в большинстве физических ситуаций достаточно уравнений классической гидродинамики. Описание явлений, наблюдаемых в области ультразвуковых частот (Xv < d), не укладывается в рамки такого подхода, а требует привлечения статистических методов и перехода к представлениям нелинейной гидродинамики [3]. (Отметим, что выбор длины вязкой волны в ЖК в качестве критерия классификации определяют пространственные масштабы задачи: с точки зрения акустики мы имеем дело только с тонкими слоями, где роль волновых полей вязкой природы очень важна [4]). В этой связи представляется вполне обоснованным представить обзор так, чтобы его содержание было разбито на три независимые части, имеющие различную тематическую направленность: часть I. Ультразвук (ориентационное воздействие ультразвука на ЖК), часть II. Звук (ориентационные явления в ЖК в звуковых полях), часть III. Практические аспекты проблемы (моделирование акустических приборов на основе ЖК, функционирующих на частотах ультразвукового и звукового диапазонов). В каждой части будут представлены выводы по рассмотренному кругу вопросов. Для всех частей обзора принята единая схема представления материала: систематизация и обобщение результатов исследований по тем направлениям, которые сформировались из пионерских работ [5-14], а также по новым перспективным направлениям, сформировавшимся в последние годы. Отметим, что подробное изложение результатов пионерских работ, которые сегодня мало цитируются, и работ, датируемых 70-ми годами, можно найти в более ранних обзорах [15-20] и монографиях [21, 22]. Цель настоящего обзора - описание современного состояния обсуждаемой проблемы как с фундаментальной, так и практической точек зрения, что позволяет представлять задачи дальнейших теоретических и экспериментальных исследований и перспектив применения ЖК в акустике.
Предлагаемая далее вниманию читателей часть I обзора посвящена анализу и интерпретации широкого круга разнообразных ориентаци-онных явлений, которые проявляются на частотах ультразвукового диапазона. Основное внимание уделено обсуждению поведения НЖК, как
наиболее простой системы, моделирующей среду с ориентационным порядком.
основные факты и задачи
Известно, что механические деформации, порождаемые ультразвуковыми волнами различных типов, приводят к резким изменениям физических свойств ЖК. Вследствие большой анизотропии оптических свойств этих веществ (показателей преломления, коэффициента поглощения, оптической активности) любое изменение структуры слоя ЖК наиболее ярко проявляется через его оптические характеристики [1]. В этой связи для идентификации структурных превращений ЖК в ультразвуковых полях, как правило, выбирают оптический параметр [2-4]. Основные схемы геометрий опытов для изучения ориентационного воздействия ультразвука (УЗ) на ЖК по изменению именно этого параметра даны на рис. 2а-д. Они различаются взаимным расположением директора п ЖК и волновых векторов (к, кК, к8) упругих волн. Оптический отклик ЖК на это воздействие регистрируют поляриза-ционно-оптическим методом [1] в отраженном или проходящем свете, поместив для этого ячейку с тонким слоем ЖК между двумя поляроидами. В 80-е годы установили, что под воздействием УЗ волн происходят обратимые и необратимые искажения макроструктуры слоя ЖК, вид которых определяет сила этого воздействия и тип ЖК. В НЖК эти искажения, образуют следующий ряд: а) однородное искажение (определяется структурой волнового поля в слое); б) пространственно-периодическое искажение (его масштаб соизмерим с толщиной слоя); в) неоднородное искажение со случайным распределением директора. В ХЖК и СЖК на некоторых стадиях искажения макроструктуры имеют необратимый характер.
Пионерские работы
Обсуждаемая проблема имеет длинную историю. Отметим лишь некоторые вехи на ее пути. ЖК открыл еще в 1888 г. австрийский ботаник Ф. Рейнитцер. Немецкий физик О. Леман первым сообщил об искажении макроструктуры гомео-тропного слоя НЖК под воздействием механического возмущения, зарегистрировав ег
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.