168655LCEM Нестабільність наповнених рідких кристалів щодо утворення модульованих структур

Нестабільність наповнених рідких кристалів щодо утворення модульованих структур.

Науковий напрям: фізика і астрономія, фізика.

Ключові слова: наповнені рідкі кристали, модульовані структури.

ВСТУП

В даній роботі розглядається колоїдного типу розчин домішкових сферичних частинок на основі рідкокристалічного (РК) носія. Таким носієм може виступати речовина, що перебуває у нематичній або смектичній (типу А) фазі в залежності від температурного діапазону. В якості домішкових сферичних частинок виступають макромолекули з порівняно великою молекулярною масою та діаметром, що є значно більшим, ніж характерна міжмолекулярна відстань у рідкокристалічному середовищі. При внесенні в носій таких сферичних частинок відбувається спотворення структури рідкого кристалу завдяки наявності зчеплення (з певною енергією) молекул рідкого кристалу з макромолекулами домішок. З іншого боку, завдяки далекосяжному характеру непрямої взаємодії між домішковими молекулами через їх взаємодію з молекулами рідкого кристалу енергія взаємодії (на характерних відстанях порядку сотень Å) між домішковими молекулами значно перевищує їхню пряму Ван дер Ваальсову взаємодію [¹, ²]. Головна особливість таких домішкових систем — це можливе формування у них модульованих структур з певним просторовим періодом. В даній роботі описується нестабільність однорідних систем щодо фазових перетворень, коли можлива поява таких анізотропних структур. Зазначимо, що подібні структури вже моделюються чисельно та спостерігаються експериментально (див. рис. 1).

Рис. 1. Приклади будови модульованих домішкових структур у нематичному РК [].

В даній роботі описуються умови фазових перетворень та критерії можливості виникнення модульованих структур. Актуальність цього дослідження є зумовленою потребою у передбаченні тих структурних станів рідкокристалічних систем з домішками, механічні й фізичні властивості яких (поряд с хімічними характеристиками) можуть знайти прикладне застосування як у розробці, так і експериментальному дослідженні нових рідкокристалічних матеріалів для оптичних, детекторних, телевізійних пристроїв і навіть медичних приладів тощо [³, ⁴, ⁵]. Такі дослідження є привабливими з прикладної точки зору, оскільки на основі зазначених леґованих структур можна було б створити дифракційну ґратку (яка функціонувала б в оптичному діапазоні) зі змінним періодом, що залежав би від температури і концентрації домішкових частинок. Таким чином, зокрема, можливо було б змінювати вигляд картини дифракції. Крім того, робота має самостійне теоретичне значення, оскільки її виконано за методою й у формі, що можуть бути застосованими при теоретичному розгляді властивостей інших неоднорідних конденсованих систем.

Симетрія системи

Поведінка леґованого зразка залежить від фазового стану рідкокристалічного носія. Нехай вище деякої температури ізотропізації рідкий кристал перебуває в ізотропній фазі. Таким обставинам відповідає група просторової симетрії (напівпрямий добуток групи тривимірних неперервних трансляцій на групу симетрії сфери, що включає в себе тривимірні ортогональні повороти та операцію інверсії).

Вважатимемо, що нижче температури має місце нематична (Н) мезофаза, яка характеризується наявністю вісі переважної орієнтації молекул та просторово однорідним розподілом сферичних домішок. Такому стану відповідає група симетрії [⁶] ( — група циліндра з віссю обертання , що є направленою вздовж вісі переважної орієнтації молекул рідкого кристала).

При подальшому охолодженні за певної температури (для якої , де — температура розтоплення РК) однорідний розподіл (взаємодіючих) домішок зникає і з’являється так звана фокальна конічна структура завдяки наявності шарів постійної товщини, що можуть вільно «ковзати» один відносно одного. Переважна орієнтація молекул РК зберігається. Той факт, що шари вільно «ковзають» один відносно одного, вказує на відсутність далекого порядку вздовж їх площини. Така фаза нагадує смектик А і відрізняється від нематичної порушенням трансляційної симетрії вздовж вісі, що є перпендикулярною до площини шару. Цьому стану відповідає група симетрії , де — група дискретних трансляцій вздовж вісі переважної орієнтації молекул РК, наприклад (задля визначеності), вісі Oz. Таким чином, фазове перетворення, що відбувається з появою модульованих структур, з точки зору теорії симетрії співпадає з фазовим переходом нематик–смектик А.