Òðåòüÿ ãëàâà

Третья глава работы содержит результаты исследований особенностей ориентационно-структурных переходов в каплях НЖК под действием поля и электрооптических свойств приготовленных КПНЖК пленок [1-6, 14-17, 23-25].

В разделе 3.1 показано, что в недеформированном образце во всем ансамбле круглых в плоскости пленки капель нематика наблюдалась текстура, типичная для биполярной конфигурации директора. При этом оси симметрии, соединяющие полюса, ориентированы хаотично, но все лежат в плоскости пленки, что является следствием сплюснутой формы капель. Таким образом, для всего ансамбля капель выполнялось условие исходной ортогональности главных осей биполярной конфигурации направлению электрического поля, которое прикладывалось перпендикулярно плоскости пленки.

Процесс трансформации текстурных картин капель НЖК под действием электрического поля можно условно разделить на три стадии. При малых значениях поля визуально никаких изменений внутри капель нематика не прослеживается. После достижения некоторого критического значения E_С наблюдается осциллирующее изменение яркости капель: по мере увеличения поля яркость последовательно проходит через несколько минимумов и максимумов. При этом процесс не сопровождается образованием новых дефектов структуры, а полюса капель остаются неподвижными (жестко фиксированными). При величине поля E_D, превышающего примерно на порядок E_С, вблизи каждого из полюсов капли возникают новые дисклинации округлой формы (рис.1). Дальнейший рост поля приводит к движению дисклинаций навстречу друг другу (площадь, ограниченная линиями дисклинаций увеличивается), визуальному слиянию их в центре капли, а затем, к резкому исчезновению и затемнению всей капли, что соответствует практически однородной гомеотропной относительно пленки ориентации всего объема капли нематика. Величина электрического поля E_D, соответствующая появлению новых дисклинаций тем больше, чем меньше размер капли и может быть различной для разных полюсов одной и той же капли. Следует отметить, что дисклинации также четко проявляются и при наблюдении капли в неполяризованном свете.

Рис.1. Текстура капель НЖК под действием поля E>E_D. Ориентация скрещенных поляризаторов микроскопа совпадает с границами рисунка.

Изменение фокусировки микроскопа показывает, что в одной и той же капле дефекты вблизи разных полюсов локализованы на различной глубине, примерно соответствующей поперечному размеру капли. Это дает основание предположить, что наблюдаемые линии - это линейные дисклинации, расположенные на верхней и нижней поверхностях капли, соответственно. Подтверждением вовлечения в процесс переориентации поверхностного слоя НЖК является длительная (порядка нескольких суток) релаксация структуры после воздействия поля E>E_D.

Таким образом, в исследуемых каплях реализуется биполярная конфигурация директора, полюса которой остаются неподвижными под действием электрического поля, а процесс переориентации сопровождается существенным искажением исходной структуры.

В разделе 3.2 представлены результаты расчета ориентационной структуры в биполярной капле нематика при условии жесткого сцепления молекул на границе раздела, в присутствие поля, направленного перпендикулярно оси симметрии капли. Для этого использовалась стандартная процедура [6*] минимизации свободной энергии, записанной в одноконстантном приближении:

, (2)

где n - директор НЖК, E - вектор напряженности электрического поля. На поверхности капли всюду задавалась планарная ориентация директора, кроме двух диаметрально противоположных точек на оси Z (см. вставку на рис.2) с гомеотропной ориентацией.

 
Рис.2. Зависимость проекции директора НЖК на ось X от величины электрического поля для точек A() и B(), лежащих в центральном сечении капли XOZ (см. вставку).

При E=0 во всем объеме капли реализуется биполярная конфигурация директора с полюсами, расположенными на оси Z. При E>0 происходит изменение ориентации директора в тех областях капли, где вектора E и n не были ортогональны (рис 2, для точки B). При этом симметрия конфигурации директора в плоскости XOZ остается прежней, но увеличивается угол наклона n по отношению к оси Z. Директор нематика в точках, расположенных на оси Z и в плоскости XOY сохраняет прежнее направление (рис.2, для точки А). Ситуация существенно изменяется для E_n>3.3 (см.рис.2). Директор в центре капли и в других точках, расположенных на оси Z и в плоскости XOY, начинает поворачиваться. Линии директора в плоскости XOZ образуют характерный S-образный изгиб (рис.3). Наиболее крутой изгиб директора имеет место в двух зонах (указаны стрелками) вблизи поверхности капли. В реальных каплях в такой ситуации возможно образование в этих зонах дополнительных дефектов, если это даст выгоду в энергетическом балансе упругих сил, что, по-видимому, наблюдалось в эксперименте.

Рис.3. Ориентационная структура биполярной капли нематика в плоскости XOZ при E_n=4.

Следует отметить, что значение поля

. (3)

является критической величиной для всего объема капли. Для точек с исходной ортогональностью векторов E и n оно имеет смысл порогового поля, для остального объема капли проявляется резким изломом зависимости ориентации директора от величины поля (рис.2).

Таким образом, расчет показал двойственный характер переориентации: пороговый в области, где исходная ориентация директора была ортогональна электрическому полю, и беспороговый для остального объема капли. Отсутствие изменений текстурных картин капель в диапазоне поля E< E_C при визуальных экспериментальных исследованиях можно объяснить недостаточной чувствительностью глаза к слабым изменениям яркости капли.

В разделе 3.3 представлены результаты измерений зависимостей светопропускания планарно-ориентированных КПНЖК пленок от величины приложенного электрического поля. В случае прямо проходящего через образец света данные характеристики имеют пороговый вид, а также сильно зависят от размеров капель нематика. Так, для пленки с максимальным диаметром капель 19 мкм (рис.4) светопропускание в послепороговой области проходит последовательно минимум, максимум, минимум и лишь затем монотонно растет, выходя на насыщение. В случае капель 12 мкм наблюдается лишь два экстремума: слабовыраженный максимум и более глубокий минимум, а при размере капель менее 5 мкм зависимость приобретает типичный S-образный вид. Сравнение с визуальными наблюдениями показали, что дополнительные дефекты в каплях НЖК (см. раздел 3.1) возникают в диапазоне между последним минимумом и областью насыщения характеристики светопропускания, и, таким образом, не связаны с наблюдаемыми осцилляциями данной кривой.

Рис.4. Экспериментальная и расчетная характеристики светопропускания планарно-ориентированной КПНЖК пленки с каплями диаметром 19 - 8 мкм.

В разделе 3.4 проведен анализ характеристик светопропускания КПНЖК пленок в рамках приближения аномальной дифракции. Как показано в [7*] сечение рассеяния капли в этом случае имеет вид:

где - геометрическое сечение рассеяния сферической капли радиусом R, n_lc, n_p - показатели преломления НЖК и полимера, соответственно, - длина волны излучения в вакууме.

Подставляя (4) в соотношение для интенсивности света, проходящего через рассеивающую среду толщиной d с объемной концентрацией сферических частиц N

(5)

была рассчитана характеристика светопропускания КПНЖК пленки (рис.4), удовлетворительно описавшая основные особенности экспериментальной зависимости. При этом ансамбль капель нематика моделировался четырьмя группами капель (19, 14, 11, 8 мкм), каждая из которых входила в (5) со своим статистическим весом N_i и сечением рассеяния .

Показатель преломления НЖК для каждого значения электрического поля определялся с использованием результатов расчета ориентационной структуры капли по формуле

(6)

где усреднение велось вдоль хода светового луча по оси X (см.рис.3).

Таким образом, осциллирующее поведение характеристик светопропускания КПНЖК пленок обусловлено интерференцией двух световых потоков, прошедших через капли НЖК и через полимерную матрицу между ними. При этом число интерференционных осцилляций определяется разностью фаз этих световых потоков (см. соотношение (4)).

С целью экспериментального выявления зависимости характера интерференции от длины волны проходящего через КПНЖК пленку излучения были измерены характеристики светопропускания образца для разных аргонового лазера (458 нм, 477 нм, 488 нм, 515 нм). При одинаковых значениях пороговых полей положение экстремумов характеристики смещалось влево по оси Е с увеличением . Кроме того, с ростом длины волны наблюдалось уменьшение числа осцилляций, что согласуется с результатом анализа соотношений (4).

Следует отметить, что для четкого проявления осциллирующего характера кривых светопропускания необходимо монослойное упорядочение капель нематика в плоскости пленки. Для иллюстрации этого было измерено пропускание света через систему трех последовательно расположенных ячеек с КПНЖК пленками (капли размером более 5 мкм лежат в один слой) в зависимости от общего для всех трех образцов напряжения. Данная характеристика имела один слабовыраженный минимум, в то время как кривые светопропускания каждого образца в отдельности были аналогичны рис.4. Эти измерения могут объяснить причину отсутствия осцилляций в случае типичных КПНЖК пленок с многослойным расположением капель.

Для получения информации о характере переориентации нематика в различных областях капли были проведены сравнительные измерения характеристик светопропускания КПНЖК пленки для прямо проходящего света и рассеянного под углом (рис.5, вставка). Из рассмотрения рассеивающих свойств ансамбля капель НЖК размером, превышающим длину волны излучения [8*] следует, что основной вклад в интенсивность прямо проходящего света обусловлен лучами, траектория которых проходит по оси X через центр капель (см.рис.3), а интенсивность рассеянного света определяется лучами, проходящими через боковые области капель. Следовательно, согласно расчетам (раздел 3.2), предсказавшим двойственный характер переориентации НЖК в каплях, зависимости I_t и I_s от величины поля должны иметь пороговый и беспороговый вид, соответственно. Экспериментальные данные (рис.5) подтверждают эти выводы. Как видно, кривая I_s(Е) беспороговая и также осциллирует. Важно отметить, что пороговый характер зависимости I_t(Е) имеет место, когда в каплях НЖК реализуется биполярная конфигурация директора с главной осью, лежащей в плоскости пленки (перпендикулярно направлению поля).

Рис.5. Зависимость интенсивности прямо проходящего через образец излучения (I_t) и рассеянного под углом =7⁰ (I_s) от величины приложенного поля.