КОЛЛОИДНЫЙ ЖУРНАЛ, 2008, том 70, № 3, с. 299-304
УДК 532.783
УПРУГИЕ СВОЙСТВА НЕМАТИКА В СИСТЕМЕ ТЕТРАПАЛЛАДИЕВЫЙ ОРГАНИЛ-ПЕНТАДЕКАН
© 2008 г. А. В. Голованов*, Г. В. Рябчук**
*Институт элементоорганических соединений им. АН. Несмеянова РАН 119991 Москва, ул. Вавилова, 28.
**Волгоградский государственный технический университет, 400066 Волгоград, проспект Ленина, 28 Поступила в редакцию 20.06.2007 г.
Экспериментально исследованы температурные зависимости двулучепреломления An, анизотропии диэлектрической проницаемости ea, констант упругости K11 и K33 в нематической фазе системы тет-рапалладиевый органил-пентадекан с содержанием пентадекана 55 мас. %. Показано, что с увеличением температуры величины ea, K11 и K33 убывают, An не изменяется. При этом константа упругости
Kn изменяется от 3.4 х 10-7 до 5.6 х 10-6 дин, константа упругости K33 - от 1.3 х 10-6 до 27.4 х 10-5 дин. Величина ea изменяется в интервале 0.2-0.5. Обнаружено, что при температуре на 6°С выше температуры фазового перехода N2 —► Cr, приложенное электрическое поле индуцирует рост кристаллов тетрапалладиевого органила.
ВВЕДЕНИЕ N1 молекулы наклонены по отношению к оси колон-
ки, в фазе N2 - перпендикулярны к ней (рис. 2) [7].
Сегодня термотропные жидкие кристаллы (ЖК) хорошо изучены и нашли практическое примене- В работе [8] были экспериментально исследование в устройствах отображения информации (жид- ны температурные зависимости констант упруго-кокристаллические мониторы и т.п.). Лиотропные сти и коэффициента эффективной вращательной ЖК были исследованы не так полно, и в последние вязкости в системе TPO-пентадекан при концентра-годы физико-химические свойства этих ЖК интен- ции 37 мас. % теотадегата. Как ввдн° из фазовой сивно изучаются [1-3]. Наряду с термотропными, диаграммы (рис. 3), полученной в работе [7], при лиотропные ЖК обладают характерными свой- этой концентрации наблюдаются обе фазы N1 и N2. ствами ориентационной упругости и вязкости [4, 5]. Скачкообразное изменение свойств системы при Отличительной особенностью лиотропных мезо-фаз, в частности лиотропных нематических, являются структурные элементы, представляющие собой агрегаты молекул [1]. Форма и размеры структурных элементов зависят от концентрации и температуры. Размеры структурных элементов определяют упругость и вязкость лиотропных ЖК. В связи с этим, представляет интерес изучение концентрационных и температурных зависимостей констант упругости и коэффициентов вязкости лиотропных нематиков.
Недавно Praefcke и Усольцевой был найден новый случай существования двух нематических фаз, условно названных N1 и N2, в лиотропной системе тетрапалладиевый органил (ТРО)-пентадекан [6]. Структурными элементами этих фаз являются агрегаты из молекул TPO (структурная формула показана на рис. 1), упакованные по типу "стопка монет". Поэтому они относятся к хромоническим мезо-фазам [1]. Данные фазы различаются характерными особенностями оптических текстур и, предположительно, упаковкой молекул TPO в колонках: в фазе
RO
RO
RO.
RO
RO RO
^-CL Pd^ :;Pd
Tl
RO
N ^ci^ ,
Pd^ ^Pd
R - C12H25
OR OR
OR OR
RO
Рис. 1. Структурная формула молекулы тетрапалладиевого комплекса [6].
N2 п2
щ N1
т, °с
Рис. 2. Схематическое представление колонок тетра-палладиевого органила в нематических фазах N1 и N2 (вид сбоку) [7].
160 ■ \ \
150
140 Со1+Ьо
130 Со1 Ьо
120
110 Со1+^
100
90 N2 \
80
70
60 - \ Со1+^ ч
50 Сг
20 40 55 60 80 100 Концентрация пентадекана, мас.%
температуре перехода N —«- N1 [8] свидетельствует о том, что переход N —» N1 является фазовым переходом между двумя различными нематически-ми фазами.
В настоящее время природа фаз N и N остается невыясненной. Не изучены упругие и вязкие свойства этих фаз при других концентрациях. Поэтому нами была поставлена задача, исследовать температурные зависимости констант упругости в нематической фазе N при концентрации пентадекана, соответствующей проявлению только одной нематической фазы.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Использованное для исследования вещество было любезно предоставлено проф. Ргае1ске. Немати-ческая фаза N существует в интервале концентраций 35-65 мас. % пентадекана (рис. 3). По описанной в работе [8] методике готовили смесь ТРО и пента-декана с концентрацией последнего 55 мас. %.
Смесь нагревали до жидкого состояния и заправляли в плоские стеклянные капилляры (ячейки типа "сандвич") с 1ТО-электродами, нанесенными на поверхность стекла. Затем ячейки заклеивали эпоксидным клеем. Толщину й капилляров (4555 мкм) задавали при помощи прокладок из фторо-
Рис. 3. Фазовая диаграмма системы тетрапалладие-вый комплекс-пентадекан [7].
пластовой пленки и определяли интерференционным методом.
Вещество охлаждали со скоростью 0.5°С/мин. С помощью поляризационного микроскопа следили за текстурой фаз в системе и устанавливали температурные границы их существования. Наблюдения показали, что в системе при данной концентрации существуют следующие фазы:
45°с N + Сг N + 18,
Сг
N2
N2
где Сг - "кристаллическая" фаза, (N2 + Сг) - двухфазная область, N - нематическая фаза, (^ + 18) - двухфазная область, - изотропная фаза. Измерения температурной зависимости констант упругости проводили в процессе охлаждения, после предварительного нагревания образцов до температуры перехода в двухфазную область (^ + 18).
Для определения констант упругости изучали переход Фредерикса для деформации поперечного изгиба в электрическом поле. Была создана электрооптическая установка на базе бинокулярного поляризационного микроскопа МИН-8. Установка позволяла измерять интенсивность света, прошедшего образец, с помощью ФЭУ и одновременно на-
0
упругие свойства нематика в системе
301
блюдать за текстурой. Деформация поперечного изгиба возникает в планарном слое нематика (еа > 0) при внесении его в электрическое поле, направленное перпендикулярно директору. В связи с этим, нами были созданы планарные образцы нематика за счет предварительной обработки стекол ячеек раствором ПАК-лака в диметилформамиде: раствор наносили на стекла методом центрифугирования, стекла высушивали, а затем натирали мехом на натирочной машине. После заправки капилляра веществом и его нагревания до температуры перехода в двухфазную область (N2 + 18), планарная ориентация без дефектов возникала в течение 1 ч. Затем на стекла ячейки от генератора подавали электрическое напряжение (10-30 В) с частотой 800 Гц. В таких условиях в нематике возникают переходные домены, типичные для лиотропных жидких кристаллов [9, 10]. Домены с течением времени исчезают, и в образце возникает однородная ориентация характерная для 5-эффекта. Далее величину подаваемого напряжения уменьшали пошагово (0.4 В) до нуля. При уменьшении напряжения фиксировали изменение интенсивности I поляризованного света прошедшего образец. Данные по интенсивностям позволили рассчитать изменение разности фаз Аф света в зависимости от подаваемого напряжения и [11]. На рис. 4 представлена одна из типичных зависимостей. Пороговое напряжение Фредерикса ир для 5-деформации определяли линейной экстраполяцией зависимости Аф(Ц) при и > ир к значению Аф0, которое является разностью фаз при нулевом напряжении. Полученные таким образом значения ир при разных температурах позволили
рассчитать отношение константы упругости поперечного изгиба К11 к анизотропии диэлектрической проницаемости еа, по формуле [12]
Аф, рад
1 Г Ufi
4nv п
(1)
Из тангенса угла наклона а линейного участка зависимости Аф(и) вычисляли отношение константы упругости продольного изгиба К33 к константе упругости поперечного изгиба К11 [12]:
K
_ = 2 А ф о
K11 UFi tg а'
(2)
Формула (2) справедлива при условии еа <§ е±. В ходе измерений зависимости величины еа от температуры было установлено, что условие £а <§ е± выполняется. Зная величину Аф0, рассчитывали двулучепреломление Ап слоя [12]:
A n =
ХАф0 2 п d
(3)
4 5
UFi
9 10 U, B
Рис. 4. Зависимость разности фаз Аф от напряжения и при температуре 68.4°С. й = 58 мкм, ир = 4.1 В.
где X = 0.59 мкм - длина световой волны, на которую приходится максимум интенсивности излучения лампы накаливания.
Чтобы определить температурную зависимость константы упругости Кш необходимо установить температурное поведение анизотропии диэлектрической проницаемости еа вне области дисперсии (ю = 0). Определение величины еа сводится к измерению емкостей Су и С± ячейки, заполненной веществом и представляющей собой плоский конденсатор, при гомеотропной и планарной ори-ентациях нематика соответственно:
Си— СI
Ba=Bll - = г г ,
С0 — Сп
(4)
где С0 - измеренная емкость пустого конденсатора, Сп - паразитная емкость соединительных проводников, By и е± - диэлектрические проницаемости нематика, соответственно, при гомеотропной и планар-ной ориентациях.
Все емкости измеряли с помощью прибора "Profit Star" DM 6013A. Как было сказано выше, после затекания в ячейку нематик ориентируется планарно под действием границ. Следовательно, измерение емкости С± - тривиальная процедура. Для определения Су слой нематика необходимо ориентировать гомеотропно. Для системы TPO-пентадекан эта проблема пока не решена. Поэтому измерение Сц проводили по следующей методике. К электродам ячейки через шестиполюсный переключатель подключаются генератор напряжения и измеритель емкости. Первоначально на образец подавали напряжение 40-50 В, которое в четыре раза превышает максимальное пороговое
a
Ап х 10 3.00 2.85 2.70 2.55
2
-
• • • .
- • •
- N2 N2
Рост
кристаллоЕ
_ под
действием
электри-
ческого
1 поля | 1 1 1
N2 + 18
46 50 54 58 62 66 70 74 78
т, °С
е|>е±
2.6 2.4 2.2 2.0 1.8 1.6
1
- N2
- ■
- •
Рост
кристаллов
под
действием
электри-
ческого
поля
е±
46 50 54 58 62 66 70 74 78
т, °С
Рис. 5. Зависимость двулучепреломления Ап от температуры.
Рис. 6. Зависимости величин е.. и е^от температуры.
N
2
е
1
0
0
напряжение иР , вычисленное в ходе эксперимента по определению Кп/еа и К33/Кп. При таком напряжении угол ориентации в центре слоя нематика равен
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.