Äèñêîòè÷åñêèå íåìàòèêè

(структурная упорядоченность, фазовые переходы, критическое поведение, отклик на внешние воздействия, оптические и спектральные свойства)

Аверьянов Е.М.

Жидкие кристаллы (ЖК) - это вещества, обладающие текучестью, свойственной жидкостям, и анизотропией физических свойств, присущей кристаллам. Они состоят из молекул анизотропной формы и обладают большим разнообразием структур с различным сочетанием одномерной или двумерной ориентационной и позиционной упорядоченности молекул. Уникальное сочетание в ЖК свойств жидкостей и кристаллов поставило ряд новых проблем физики конденсированного состояния вещества, связанных с характером фазовых переходов между ЖК-структурами различного типа, а также взаимосвязью ориентационных, позиционных и внутренних степеней свободы молекул при этих переходах.

Недавно открытые дискотические ЖК, предсказанные Л.Д. Ландау в 1937 г., образуются дискообразными молекулами типа снежинок, в отличие от известных ЖК, состоящих из стержнеобразных молекул, исследования которых имеют более чем вековую историю. Дискотические нематики ND обладают одномерной ориентационной, а дискотики Dhd - одномерной ориентационной и двумерной позиционной упорядоченностью молекул. С понижением температуры возможен переход из более упорядоченной фазы Dhd в менее упорядоченную возвратную фазу NDR.

В рамках исследований, поддержанных грантом Фонда науки, автором получены первые экспериментальные данные по степени ориентационной упорядоченности молекул S(T) в фазах ND, NDR и Dhd термотропных ЖК. Обнаружено, что фазовый переход нематика ND в изотропную жидкость одновременно близок к изолированной критической точке Ландау и трикритической точке. Это показало существенную ограниченность современных теоретических представлений о природе данного перехода. Установлена взаимосвязь локальной симметрии нематиков, состоящих из стержнеобразных и дискообразных молекул, с прямой корреляционной длиной x0 пространственных флуктуаций модуля S. Тем самым, дан ответ на вопрос, поставленный нобелевским лауреатом П.Де Женом в 1974 г. Показана возможность определения восприимчивостей S(n) = (nS/¶hn)T;hr0 нематической фазы к полям h, сопряженным параметру порядка S, из экспериментальной зависимости S(T) в нулевом поле и её производных по температуре. Это открывает новые возможности отбора перспективных для технических применений ЖК-материалов с сильным откликом на внешние воздействия. Исследовано критическое поведение величин S, S(1), S(2), x( в нематической фазе ND и показана универсальность критического поведения нематиков с одинаковой макроскопической и различной локальной симметрией. Впервые установлено, что фазовые переходы ND-Dhd и NDR-Dhd являются сильными переходами первого рода с большим скачком DS и аномально сильной связью ориентационного и позиционного упорядочения молекул. При этом малые значения энтропии и энтальпии этих переходов обусловлены возрастанием конформационной подвижности (ориентационным плавлением) гибких цепей молекул в Dhd-фазе. Обнаружено, что удлинение периферийных гибких цепей молекул в фазе NDR существенно изменяет их конформационное состояние, приводя к снижению aнизотропии поляризуемости. На основе полученных данных предложен молекулярный механизм возвратного нематического полиморфизма в дискотических жидких кристаллах.

Результаты представлены на Международных (USA, 1996; Germany, 1997) и Европейской (Poland, 1997; приглашенный доклад) конференциях по ЖК, а также опубликованы в следующих работах: Письма в ЖЭТФ, т.61, с.796 (1995); т.63, с.29, 658 (1996); ЖЭТФ, т.110, с.1820 (1996); Кристаллография, т.42, с.145 (1997); Ж. Структ. хим., т.38, с.89 (1997).