КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2004, том 49, № 4, с. 759-772
ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ
УДК 534.535
К 100-летию со дня рождения А.П. Капустина
АКУСТИКА ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ. СОВРЕМЕННЫЙ ВЗГЛЯД НА ПРОБЛЕМУ
© 2004 г. О. А. Капустина
Акустический институт, Москва E-mail: bvp@akin.ru Поступила в редакцию 21.10.2003 г.
Систематизированы и обобщены основные результаты исследований по тем направлениям современной акустики ЖК, которые "выкристаллизовались" из "пионерских" работ профессора А.П. Капустина и являются их продолжением. Обсуждаются следующие аспекты проблемы: акус-тооптические явления в ЖК, акустически индуцированные домены в ЖК, акустоэлектрические взаимодействия в ЖК, эффекты акустической памяти в ЖК и акустические приборы на ЖК.
ВВЕДЕНИЕ
Акустика жидких кристаллов (ЖК) базируется на достижениях целого ряда научных дисциплин (акустики, кристаллофизики, оптики, математики, химии, электроники), что, с одной стороны делает исследования ЖК достаточно сложной задачей, а с другой, создает весьма благоприятные условия для появления новых и неожиданных идей.
Становление и развитие современной акустики ЖК неразрывно связано с именем профессора А.П. Капустина (1904-1984). В начале 60-х гг. исследования ЖК представлялись мало перспективными и ими продолжали заниматься лишь редкие энтузиасты, одним из которых был А.П. Капустин. Уже тогда он сумел "почувствовать" значимость фундаментального свойства ЖК: наличия ориентационной степени свободы, которая рождает уникальную чувствительность мезофазы к любому внешнему воздействию, в том числе акустическому. Так, А.П. Капустину принадлежит приоритет в открытии явления осцилляции директора в ЖК при воздействии низкочастотных механических деформаций [1], подтвержденный авторским свидетельством на изобретение (1968 г.) [2], которое в 90-е гг. стимулировало постановку исследований по разработке акустических приборов на ЖК для сейсмологии, электроакустики, гидроакустики. В его ранних работах получены первые количественные данные о взаимосвязи оптического отклика нематических ЖК (НЖК) со скоростью низкочастотных механических деформаций, толщиной слоя мезофазы, ее температурой [3] и сформулирована утвердившаяся сегодня гипотеза о гидродинамической природе механизма дестабилизирующего воздействия звука на
ЖК. Впоследствии этот цикл работ дал толчок широкому теоретическому и экспериментальному исследованию акустооптических явлений в ЖК в нашей стране и за рубежом. А.П. Капустин был первым, кто наблюдал в ЖК эффект акустического динамического рассеяния света [4], который за рубежом был открыт заново спустя почти 10 лет [5]. Одно из его наиболее значительных открытий связано с первыми наблюдениями перехода в ультразвуковом (УЗ) поле неупорядоченной поликристаллической текстуры ЖК в регулярную систему доменов [4], подобную известным доменам Капустина-Вильямса [6, 7], формирующимся в электрическом поле. Впоследствии это явление также стало предметом интенсивных эспериментальных и теоретических исследований и привело к открытию большого числа пространственно-модулированных структур. Первое описание эффекта "акустической памяти" в ЖК, который А.П. Капустин наблюдал в смектических ЖК (СЖК) при УЗ-воздействии [4], стимулировало поиск этого эффекта в других типах мезофазы. Не менее перспективными представляются сегодня работы А.П. Капустина [811], посвященные акустоэлектрическим взаимодействиям в НЖК, которые в конце 90-х гг. привлекли к себе внимание и привели к дальнейшему развитию исследований в этой области акустики ЖК. В середине 70-х гг. почти одновременно с американским физиком Дж. Фергасоном и независимо от него А.П. Капустин экспериментально установил факт влияния механических деформаций на длину волны селективного отражения света в холестерических ЖК (ХЖК) [1]. В середине 80-х гг. исследования этого эффекта были продолжены и привели к созданию термооптических УЗ-приемников на ХЖК [12]. Не менее перспек-
(а)
k п
(в)
(Д)
А
, п
k
0 0 п
1 А
(б)
kR n
(Г)
1 п k
•<-----\
(е)
k п k,
i ; <
- исследование акустически индуцированных структурных превращений в ЖК, сопровождающихся образованием доменов;
- развитие проблемы акустоэлектрических взаимодействий в ЖК;
- изучение эффектов "акустической памяти" в ЖК;
- создание акустических приборов на ЖК.
Наиболее важные результаты и концепции, отражающие основные вехи на пути развития исследований в этой области науки, достаточно полно освещены в обзорах [12, 16, 17-19], монографиях [13-15, 20], книгах [21-23], которые охватывают период от первых "пионерских" работ до 1990 г. Цитируемые в данном обзоре работы не исчерпывают всех современных публикаций по данной теме и не отражают вопросов приоритетного характера, но позволяют понять состояние проблемы в целом, оценить успехи и попытаться сформулировать новые задачи.
Рис. 1. Геометрия экспериментов по исследованию воздействия различных типов колебаний на ЖК: продольные волны (волны сжатия), к || п (а); поверхностные акустические волны, кд ± п (б); продольные волны, к || п, 0 Ф 0 (в); сдвиговые колебания, к5 ± п (г); продольные волны, к ± п (д); сдвиговые и "поршневые" колебания, к5 ± п, к || п (е); здесь п - директор, 0 - угол падения УЗ-волны на слой; к, кд, к5 - волновые векторы продольных, поверхностных и сдвиговых волн; пучок поляризованного света (он не показан) падает на слой в направлении нормали (ось г).
тивным сегодня представляется цикл работ А.П. Капустина по применению методов УЗ-спектро-скопии для изучения свойств ЖК в области фазовых переходов и предпереходных состояний. Еще в 60-е гг. был обнаружен ряд аномалий, проявляющихся при распространении УЗ-волн в ЖК и связанных с релаксационными явлениями в среде: дисперсия фазовой скорости и отклонение поведения коэффициента УЗ-поглощения а от классического закона a/f2 = const, где f - частота УЗ. Оказалось, что эти аномалии наиболее ярко проявляются вблизи фазовых переходов и в диапазоне МГц-частот. А.П. Капустин был одним из первых, кто провел систематические исследования таких аномалий в различных ЖК-мезофазах, основные результаты которых он обобщил в монографиях [13-15].
Цель настоящего обзора систематизировать и обобщить результаты исследований по тем направлениям современной акустики ЖК, которые "выкристаллизовались" из первых работ А.П. Капустина и являются их продолжением. К ним относятся следующие:
- изучение акустооптических явлений в ЖК;
АКУСТООПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ЖИДКИХ КРИСТАЛЛАХ
Структурные превращения в ЖК в поле механических деформаций, порождаемых упругими волнами различных типов (продольными, поверхностными, сдвиговыми), приводят к резкому изменению свойств ЖК-объектов, причем наиболее ярко проявляются изменения их оптических характеристик [22]. Это определило прикладную ценность таких материалов и привело к стремительному развитию акустооптики (АО) ЖК, как одного из перспективных направлений современной акустики ЖК.
К настоящему времени установлены основные закономерности и механизмы этих превращений для условий и геометрии опытов, различающихся взаимным расположением директора п и одного из волновых векторов (к, кд, к5) упругих волн и схематично показанных в упрощенном виде на рис. 1. Оптический отклик ЖК на воздействие упругих волн в этих опытах регистрировали в проходящем или отраженном свете, и размещали ячейку с ЖК между скрещенными поляроидами. Оказалось, что АО-явления, сопутствующие структурным превращениям, их интерпретация и теоретическое описание зависят от целого ряда факторов: типа ЖК, геометрии слоя, исходной ориентации молекул, структуры волнового поля и т.д. Неоднозначна и трактовка экспериментальных результатов. Для анализа АО-эффектов на низких частотах, как правило, достаточно уравнений гидродинамики Лесли-Эриксена [24]. Объяснение ряда явлений, наблюдаемых на высоких частотах, выходит за рамки классической гидродинамики, и возникает необходимость привлечения статистических методов и неклассической нели-
k
нейной гидродинамики для их описания. В этой связи в качестве одного из критериев при классификации АО-эффектов в ЖК удобно выбрать частоту колебаний и ввести частотно-зависимый параметр - длину вязкой волны ^ в ЖК. В соответствии с соотношением между длиной вязкой волны и толщиной слоя С ЖК выделяют три области частот: высокие (^ < С), низкие (^ > сС) и средние ~ С). Далее будут рассмотрены две наиболее полно изученные физические ситуации: структурные превращения и оптический отклик гомеотропного слоя НЖК в поле упругих волн в области высоких и низких частот.
Высокие частоты. Обобщая результаты экспериментальных исследований АО-эффектов в НЖК на частотах УЗ-диапазона в условиях, показанных на рис. 1а-1в, сформулируем ряд основных положений, отражающих особенности оптического отклика НЖК в этой области частот:
- структурные превращения имеют непороговую природу;
- при интенсивности упругих волн ]с воздействие УЗ вызывает "просветление" слоя [25-29];
- увеличение толщины слоя приводит к снижению величины Jc: ]с ~ 1/С2 [27, 30, 31];
- частотную зависимость УЗ-интенсивности ]с определяет следующая закономерность: Jc ~ /-1/2 [16, 28, 30];
- связь оптической прозрачности слоя т с интенсивностью УЗ - нелинейная: т = зт2(сош! J2), и проходит ряд максимумов, определяемых интерференцией обыкновенной и необыкновенной волн света [31, 32]; здесь и далее под термином оптическая прозрачность понимают отношение светового потока, прошедшего систему I, к потоку 10, падающему на слой после поляризатора;
- оптическая прозрачность слоя зависит от типа акустических граничных условий: ячейка со свободными [27] и замкнутыми [31] краями;
- оптическая картина просветления слоя имеет вид системы чередующихся светлых и темных полос, ширина и контрастность которых зависит от интенсивности УЗ, а их пространственный период коррелирует с длиной волны УЗ [25, 27-37];
- конфигурацию полос определяет тип акустических граничных условий, геометрия ячейки и взаимная ориентация волнового вектора и директора [22, 23].
В [15, 16, 18, 22, 23 ] подробно рассмотрены и проанализированы модели, разработанные в извест
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.