АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2008, том 54, № 3, с. 353-370
== ФИЗИЧЕСКАЯ АКУСТИКА =
УДК 534.535
СТРУКТУРНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В ЖИДКИХ КРИСТАЛЛАХ, ИНИЦИИРОВАННЫЕ ЗВУКОМ (ОБЗОР)
© 2008 г. О. А. Капустина
Акустический институт им. Н.Н. Андреева 117036 Москва ул. Шверника 4 E-mail: oakapoustina@yandex.ru Поступила в редакцию 22.05.07 г.
В последние годы удалось существенно уточнить представления о природе и особенностях ориента-ционных явлений в жидких кристаллах, инициированных воздействием звука. В настоящем обзоре обобщены и обсуждаются основные результаты оригинальных теоретических и экспериментальных научных работ по фундаментальным аспектам этой проблемы.
PACS: 61.30.-v
ВВЕДЕНИЕ
Уникальные особенности ориентационного поведения жидких кристаллов (ЖК) при акустическом воздействии обусловлены сосуществованием свойств, характерных для твердых кристаллов (упорядоченность в расположении молекул, анизотропия физических свойств) и жидкости (текучесть). Вниманию читателей предлагается вторая часть обзора, посвященная анализу и интерпретации тех явлений, которые проявляются на частотах звукового диапазона, где соотношение длины вязкой волны ^ в ЖК и толщины С слоя ЖК таково, что выполняется неравенство ^ > С. При изложении материала принята та же схема, что и в части первой обзора [1], а для его систематизации использованы следующие критерии: вид воздействия (сжатие, сдвиг), тип ориентационных граничных условий (гомеотропные, планарные), вид искажения макроструктуры слоя (однородное, пространственно-периодическое), тип ЖК (нема-
тический (НЖК), смектический А, С, С* (СЖК А, СЖК С, СЖК С*), холестерический (ХЖК)).
Начнем обсуждение с изложения общих понятий и идей, сформулированных в первых публикациях по этой проблеме. Для исследования ЖК помещают в плоские капилляры, твердые стенки которого задают граничные условия для всего объема образца. Упорядоченность молекул ЖК характеризует единичный вектор п ("директор"). Современные методы обработки поверхностей пластин капилляра позволяют создавать слои с гомеотропной или планарной макроструктурой (рис. 1) и поверхностной плотностью ориентаци-онной энергии W от 105 до 1 эрг/см2 (слабое и жесткое сцепление молекул с границами) [2]. Для идентификации изменений ориентационного состояния слоя обычно выбирают одну из оптических характеристик ЖК (оптическая активность, двулучепреломление, коэффициент поглощения света) [2].
(а)
Т !" ,Т1 ,1 ?i, J
1 1 Г1 1 I
Ф
(б)
Рис. 1. Типы макроструктур НЖК с гомеотропным (ф = 0) (а) и планарным (ф = я/2) (б) расположением молекул, созданных между пластинами капилляра; ф - угол между директором п и нормалью к границе слоя (ось г).
n
x
y
Первые исследования влияния на двулучепре-ломление ЖК периодической деформации были выполнены еще в 1910 г. [3]. В этой и последующей работе 30-х годов В.В. Золиной [4] акцент сделан на качественные наблюдения, цель которых - выяснить механизм переориентации НЖК при его механической деформации. В работах А.П. Капустина [4-8] 60-х - 70-х годов были предвосхищены многие из тех идей, на которых базируется современная акустика ЖК. Он получил вместе с З.Х. Куватовым и А.И. Трофимовым первые данные о взаимосвязи оптического отклика НЖК со скоростью сдвига, толщиной слоя, температурой ЖК [5], а также сформулировал общепринятую сегодня гипотезу о гидродинамической природе механизма дестабилизирующего воздействия звука. А.П. Капустину принадлежит приоритет в открытии эффекта осцилляций директора НЖК в поле периодических деформаций [6], что стимулировало в 90-е годы постановку в Акустическом институте исследований по разработке моделей акустических приборов на ЖК для целей электроакустики, гидроакустики и сейсмологии. В середине 70-х годов независимо друг от друга А.П. Капустин и Дж. Фергасон (США) установили факт влияния низкочастотных механических деформаций на длину волны селективного отражения света в ХЖК [7, 9]. В 80-е годы эти исследования были продолжены и привели к созданию термооптического приемника звука на ХЖК [10]. Одно из наиболее важных достижений 70-х годов - открытие в ЖК пространственно-модулированных структур (доменов), индуцированных внешним воздействием. В НЖК домены впервые наблюдали А.П. Капустин и Л.М. Дмитриев [11]. Позднее это явление стало предметом интенсивных исследований и привело к открытию в ЖК доменов различного типа [2]. Цикл работ А.П. Капустина, С. Яковенко, Д. Демуса [12, 13], посвященный акустоэлектрическим взаимодействиям в НЖК, в конце 90-х годов стимулировал успешное развитие исследований и в этой области.
Далее представлены и обобщены наиболее важные результаты и концепции, которые отражают основные вехи на пути развития исследований "перестройки" различных типов макроструктур ЖК при воздействии звука с целью понять современное состояние проблемы, оценить успехи и попытаться сформулировать новые задачи. Цитируемые в обзоре работы не исчерпывают всю литературу по этой теме. Дополнительные сведения можно найти в более ранних обзорах [14-17] и монографиях [18-21].
ГОМЕОТРОПНАЯ ОРИЕНТАЦИЯ ПРИ СЖАТИИ
Однородное искажение макроструктуры
Нематическая фаза. Наиболее чувствительный способ идентификации перестройки гомео-тропной макроструктуры НЖК основан на измерении его двулучепреломления [2]. На рис. 2 показаны схемы опытов, где этим методом регистрировали оптический отклик тонкого слоя НЖК на сжатие, проводя наблюдения в поляризованном свете. Основные закономерности изменений макроструктуры на стадии однородного искажения установлены по данным о реакции НЖК на периодическое сжатие в капилляре с открытыми (а) или замкнутыми (б) краями. В области звуковых частот переориентацию молекул НЖК определяет гидродинамический осциллирующий поток Пуазейля. В капилляре с замкнутыми краями поток возникает при прогибе мембраны в поле звукового давления P(t) = P0exp(-/fflt), который приводит к периодическому сжатию НЖК в центре слоя (рис. 26). Это вызывает растекание жидкости вдоль слоя к его краям и в обратном направлении [22]. В капилляре, края которого открыты, поток "рождается" периодическим сжатием слоя при колебаниях одной из пластин капилляра по закону ^(t) = ^0z sin o>t (рис. 2а) [23]. Осциллирующий поток вызывает колебания директора НЖК относительно оси z (его исходное равновесное положение) на угол 9x(t). В этой ситуации оптическая прозрачность слоя m = I/I0 = = sin2(0.5AФ), определяемая разностью фаз АФ обыкновенной и необыкновенной волн света, проходит ряд экстремумов, обусловленных интерференцией этих волн [2, 20]. Здесь P0 - амплитуда звукового давления, ^0z - амплитуда колебаний, I0 - световой поток, падающий на слой НЖК после поляризатора P, I - поток света за анализатором А.
Теории, построенные в рамках гидродинамики НЖК [2], приводят к следующим выводам об особенностях ориентационных и оптических эффектов:
- ориентационный эффект имеет "непороговую" природу;
- угол осцилляций директора относительно равновесного положения составляет:
9x(t) = 36P<R(1 - 2z/d)f(r)cos m/d( pc2 + 36ЛЖ-4) (1)
(капилляр с осевой симметрией и закрытыми краями [22], рис. 26) или
91(t) = [6а2^0(1 - 2z/d)x/y1d2]exp(/fflt) (2)
(капилляр с открытыми краями [23], рис. 2a). Здесь f(r) - радиальное распределение скорости "перетекания" жидкости в капилляре (рис. 2в), R -радиус кругового слоя, c - скорость звука, у1 - вращательная вязкость, а2 - коэффициент вязкости
Рис. 2. Схемы экспериментов по исследованию воздействия периодической деформации сжатия на планарные слои НЖК в капилляре с открытыми (а) и замкнутыми (б) краями: 1 - неподвижная пластина из стекла, 2 - движущаяся пластина, 2' - мембрана, 3 - источник считывающего излучения, 4 - прокладки, Р - поляризатор, А - анализатор; пучок поляризованного света падает на слой в направлении нормали (ось г). Радиальное распределение скорости перемещения нематической жидкости в круговом капилляре с замкнутыми краями; радиус Я = 1 см; толщина мембраны Н = 0.1 см (в).
Лесли, р - плотность, А - комбинация параметров мембраны (толщина, радиус, модуль Юнга, плотность материала, коэффициент Пуассона);
- световой поток на выходе системы "поляризатор - слой - анализатор" содержит постоянную и переменную составляющие, которые связаны с Р0 или осциллирующей зависимостью;
- оптическая прозрачность т зависит от типа акустических граничных условий (капилляр с открытыми [23] и закрытыми [22] краями);
- в капилляре с закрытыми краями, где разность фаз АФ = Б/ 2(г)со82ю£, поток света, прошедший через слой НЖК и анализатор, содержит постоянную (т0) и переменную (т2€) составляющие, причем переменная составляющая -сумма четных гармоник, частоты которых кратны удвоенной частоте звука; (здесь € = 1, 2..., Б =
= 216Апк0Я2Р0 (ю/с)2/С2(1 + 36АС/рс2Я)2 [22], к0 - волновое число света, Ап - двулучепреломление);
- в капилляре с закрытыми краями связь т0 и т2€ с амплитудой звукового давления зависит от условий считывания: при начальной разности фаз АФ0 Ф и падении света на слой НЖК под углом связь квадратичная, а при Б <§ 1 в условиях нормального падения света значения т0 и т2€ пропор-
4
циональны Р0 [22];
- в капилляре, края которого - свободные, разность фаз АФ = 0.5р зт2ю£, и связь постоянной (т0)
и переменной (m2i) составляющих с амплитудой
колебаний определяет параметр p = 6Ank0x2 ^ /d3; при p < 1 спектр сигнала содержит как четные, так и нечетные гармоники, а значения m0 и me
пропорциональны ^ [23];
- оптический эффект зависит от точки считывания: m имеет максимальное значение при r = 0.7R (замкнутые края; круговой капилляр с радиусом R) или на краях слоя при x = L (открытые края, капилляр шириной L);
— и и г max
- амплитуда колебаний в звуковой волне q0 , при которой функция m(^0) имеет первый максимум, зависит от типа граничных условий; она составляет 580 мкм для слоя с закрытыми краями (r = 0.7R, R = 1 см, H = 0.1 см, d = 100 мкм, f = 160 Гц) [22] и 0.06 мкм, если края слоя открыты (L = 2 см, d = 50 мкм, f = 90 Гц) [23]; в капилляре с закрыты-
max
ми краями при указанном выше значении q0 амплитуда смещения центра мембраны толщиной Н составляет 0.12 мкм.
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.