КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2014, том 59, № 5, с. 703-717
= ОБЗОРЫ
УДК 534 535
К 110-летию со дня рождения А.П. Капустина
АКУСТООПТИКА ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ: ВЧЕРА, СЕГОДНЯ, ЗАВТРА
© 2014 г. О. А. Капустина
Акустический институт РАН, Москва E-mail: oakapustina@yandex.ru Поступила в редакцию 12.02.2014 г.
Обобщены и проанализированы важнейшие результаты теоретических и экспериментальных исследований последних лет в области акустооптики жидких кристаллов, выполненных в Акустическом институте РАН, по тем направлениям, зарождение которых инициировано пионерскими работами профессора А.П. Капустина в Институте кристаллографии РАН: изучение природы акустически индуцированных надмолекулярных структур в нематических и холестерических жидких кристаллах; разработка физических основ практической акустооптики жидких кристаллов, связанных с регистрацией акустических сигналов.
DOI: 10.7868/S0023476114050087
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
1. Надмолекулярные структуры в жидких кристаллах
1.1. Непороговое искажение гомеотропного слоя НЖК в УЗ-поле
1.2. Пороговое искажение планарных слоев НЖК и ХЖК в УЗ-поле
2. Физические основы практической акусто-оптики ЖК
2.1. Приборы звуковой техники на ЖК
2.2. Сенсоры на ЖК, характеризующие состояние среды
2.3. Сенсоры на НЖК специального назначения
Заключение
ВВЕДЕНИЕ
В современном мире всякая наука окружена смежными науками и в известном смысле является промежуточной, но акустооптика (АО) жидких кристаллов (ЖК) — это наука промежуточная по своей сущности. Располагаясь в области пересечения математики, физики, химии, оптики, кристаллографии, акустики, электроники, радиотехники, соприкасаясь с биологией, прикладным искусством и т.п., она находится в особенно благоприятных условиях для зарождения новых идей, новых "точек роста". Одна из таких точек, возникшая в Институте кристаллографии АН СССР, связана с именем А.П. Капустина и привела к созданию нового научного направления в физике ЖК-состояния вещества: акустооптике ЖК, которое ни одно десятилетие разрабатывается в Акустическом институте РАН. Настоящая работа посвящена обсуждению именно этого на-
правления и состоит из двух частей. В первой части рассмотрен один из классических аспектов проблемы: образование в тонких слоях мезофазы под воздействием ультразвука (УЗ) надмолекулярных структур. Во второй части обсуждаются практические аспекты акустооптики ЖК, также связанные с пионерскими работами А. П. Капустина.
1. НАДМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СТРУКТУРЫ В ЖИДКИХ КРИСТАЛЛАХ
Честь открытия и идентификации органических веществ, получивших название жидкие кристаллы, принадлежит Ф. Рейнитцеру (1888 г.) и О. Леману (1906 г.). Монографии Д. Форландера (1924 г.) и Дж. Грея (1962 г.) подытожили накопленные за прошедший период данные об этих удивительных веществах — "баловнях природы": ведь только им она подарила уникальное сочетание свойств твердого тела и жидкости. Нельзя не отметить монографии Дж. Грея и П. Виндзора (1974 г.), Г. Брауна (1975 г.), П. де Жена (1974 г.), Л.М. Блинова (1978 г.), С.А. Пикина (1981 г.), но ни в одной из этих работ сведений об АО-явлениях в ЖК нет, хотя еще в 1910 г. изменения двулуче-преломления ЖК при механической деформации гомеотропного слоя наблюдал и описал О. Ле-ман [1], а отечественные исследователи В. Фреде-рикс [2] и В. Золина [3] этот факт подтвердили. Инициатором возрождения интереса к ЖК в нашей стране в послевоенные годы стал директор Института кристаллографии АН СССР академик А.В. Шубников. В начале 60-х гг. он предложил А.П. Капустину заняться их изучением, что чрезвычайно увлекло А.П. Капустина. Полный новых идей, он "с головой ушел" в работу и не раз повторял позднее: "Это было замечательное время:
каждый опыт был новым, каждый результат — первым!" Цикл исследований А.П. Капустина 60-70-х гг. в области электрооптики ЖК привел к открытию такого явления, как образование в тонком слое вещества под воздействием электрического поля надмолекулярных пространственно-периодических структур, известных сегодня как "домены Капустина—Вильямса" [4].
В тот же период (1962 г.) было открыто еще одно не менее удивительное явление: исследуя действие УЗ (/~ 720 МГц) на тонкий поликристаллический слой параазоксифенетола, А.П. Капустин и Л.М. Дмитриев [5] впервые наблюдали образование акустических доменов, внешне подобных доменам Капустина—Вильямса, но, как показали исследования последних лет, имеющих иную природу. Это открытие дало толчок широкому экспериментальному и теоретическому изучению изменений симметрии ориентационной структуры слоя ЖК в УЗ-полях как в нашей стране, так и за рубежом. В [6, 7] обобщены результаты работ по разным направлениям физики ЖК, в том числе по акустооптике ЖК. За прошедшие годы эта наука, привлекавшая к себе внимание не одного поколения исследователей, сделала гигантские шаги, в частности в рамках ряда инициативных проектов, поддержанных Росийским фондом фундаментальных исследований и выполнявшихся в Акустическом институте.
В настоящее время можно утверждать, что геометрия, пространственный период и механизм образования надмолекулярных структур в ЖК, возникающих при акустическом воздействии различного вида, зависят от исходной ориентации молекул ЖК в слое, его толщины ё, геометрии ячейки с ЖК, типа и частоты воздействия [8]. Также установлена значимость влияния некоторых вторичных спонтанных факторов. Среди них тип акустических граничных условий в ячейке с ЖК (открытые, замкнутые края) [9—11], присутствие неоднородностей, рождаемых краевыми эффектами в ячейке, неоднородное распределение амплитуды колебаний по сечению УЗ-пучка [12], присутствие неоднородностей в слое ЖК, "косое" падение УЗ-волны на слой ЖК [13, 14], взаимодействие волн [15]. Рассмотрим справедливость сформулированных положений применительно к двум видам искажения в УЗ-поле симметрии ориентационной структуры гомео-тропного и планарного слоев ЖК (непороговому и пороговому соответственно), которые проявляются в образовании надмолекулярных структур разной природы и вида в нематических и холесте-рических жидких кристаллах (НЖК, ХЖК).
1.1. Непороговое искажение гомеотропного слоя НЖК в УЗ-поле
Отличительная особенность надмолекулярных структур, формирующихся при непороговом изменении симметрии ориентационной структуры под действием УЗ в гомеотропном слое НЖК, состоит в том, что они воспроизводят структуру волнового поля в этом слое, а их период всегда коррелирует с длиной волны УЗ. Модели механизма этого явления, созданные в рамках классической гидродинамики Лесли—Эриксена в научных центрах Канады, США, Франции, Японии, России [7, 16], постулировали единую физическую концепцию явления (конвективный механизм деформации структуры), но разные гипотезы о природе стационарных потоков (анизотропия статического модуля упругости, радиационное давление, поглощение звука, анизотропия поглощения звука, взаимодействие волн). Ни одна из них не получила подтверждения в опытах, что связано не только с ошибочностью выбора рабочей гипотезы, но и несостоятельностью классической гидродинамики в отношении трактовки явления на частотах УЗ -диапазона, так как в рамках традиционного подхода при теоретических построениях вязкие напряжения Стц и моменты представляли как линейную комбинацию градиентов скорости т/ц и скорости вращения директора п НЖК по отношению окружающей жидкости, а процессы структурной релаксации ЖК не учитывали. Такой подход позволил построить адекватное описание диссипативных структур, возникающих при низкочастотной деформации ЖК [17, 18], но он оказался несостоятельным на УЗ-частотах. В такой ситуации речь может идти не об изменениях классических уравнений гидродинамики, а лишь о выявлении условий, при которых адекватное эксперименту уточнение теории лежит за рамками классического описания.
Обоснуем это утверждение на примере надмолекулярных структур, возникающих в гомеотроп-ном слое НЖК при его сжатии в поле продольных УЗ-волн. Идея о вязкой волне как об одном из ключевых факторов в механизме воздействия УЗ на симметрию ориентационной структуры ЖК впервые высказана в [9]. Образование вязких волн, распространяющихся от границ в глубь слоя, обусловлено спецификой граничных условий и геометрией воздействия УЗ на слой ЖК. Так, при "косом" падении УЗ на слой вязкие волны возникают на границе ЖК—твердое тело из-за различия механических характеристик [13, 14]. Источником вязких волн могут быть упругие волны, распространяющиеся вдоль слоя НЖК. Они рождаются вследствие периодического движения открытых концов ячейки с ЖК при ее сжатии в УЗ-поле [9, 11], при неоднородном сжатии пленки на границе ячейки вблизи закрытых концов [10],
из-за неоднородности сжатия среды вблизи резкой границы УЗ-пучка [12]. Независимо от причины появления вязких волн особенность ситуации состоит в том, что в опытах с единственным источником УЗ фактически на слой ЖК всегда действуют две волны разной природы: когерентные упругая и вязкая волны, и их взаимодействие ведет к генерации стационарных потоков, ответственных за образование надмолекулярных структур, т.е. имеет место бинарное воздействие на ЖК.
Обсудим концепцию бинарного воздействия на примере модели [19], построенной для области частот, где длина вязкой волны X v < d. Ее автор преодолел трудности классической гидродинамики и рассчитал скорость стационарных потоков, учитывая вязкие напряжения а у, фигурирующие в гидродинамике Лесли—Эриксена, стационарные напряжения а(2), связанные с конвекцией скорости угла поворота молекул, и стационарные нелинейные напряжения а(г) релаксационной природы. Рассмотрение проведено для задачи, геометрия которой такова: ось г направлена по нормали к плоскости слоя НЖК, координаты г = 0 и г = d определяют соответственно его нижнюю и верхнюю границы, а ось х совпадает с направлением смещения частиц среды в вязкой волне (рис. 1). Смещения в поле упругих Uz и вязких Ux волн определяют соотношения вида Uz = U0sin к8г sinюt и Ux = &X0sin[œt - P(d - г)]ехр[-р^ - г)], где ks -волновое число в упругой волне, ks = ю/с, c - скорость УЗ в НЖК, ю = 2nf, f - частота УЗ, P = = (юр/2п2)1/2 - волновое числ
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.