269
advertisement
УДК 03, 07 ОПТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ, ИНДУЦИРОВАННАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ, В МОЛЕКУЛАХ ДВУХКОЛЬЧАТЫХ ЭФИРОВ В ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ФАЗЕ Чувыров А.Н., Денисова О.А. Башкирский государственный университет Холестерические жидкие кристаллы (ХЖК) отличаются от нематических (НЖК) наличием спирального искажения, хотя их локальные свойства и структура совпадают. Доказано, что холестерические жидкие кристаллы встречаются только в нематических молекулярных системах, в которых молекулы отличаются от своего зеркального изображения. Существует множество способов получения спирального искажения в НЖК, например, путем растворения оптически активных молекул в матрице НЖК. При этом волновой вектор индуцированной спирали q пропорционален концентрации С оптически активных молекул: q=4πβC, где β – микроскопическая сила кручения. На сегодняшний день не совсем ясно, как величина оптической активности растворяемого вещества связана с шагом спирали, но известно, что макроскопическая сила кручения пропорциональна величине оптической активности [1]. Однако в нематических жидких кристаллах можно предсказать существование еще одного эффекта, приводящего к возникновению пространственной оптической активности и, как следствие, спиральной структуры. Симметрия НЖК также допускает возникновение оптической активности в электрических полях. Этот эффект хорошо известен для обычных кристаллов и носит название электрогирация. Величина оптической активности выражается через аксиальный тензор третьего ранга и линейно зависит от величины электрического поля [2]. При этом тензор электрогирации σij=lijкЕк. В случае НЖК существует лишь два компонента тензора lijk отличных от нуля: lxzy и lxzx при lxzy=-lxzx. Рассмотрим НЖК, ориентированный так, что электрическое поле направлено перпендикулярно директору НЖК E⊥n, nОZ, но EОХ. Тогда в НЖК возникает момент кручения за счет оптической активности, величина которой в этой ситуации пропорциональна lxzyExky. Его компенсирует упругий dn dn момент π xz = K 22 (n x z − n z x ) , где К22 – коэффициент упругости, nx и nz dy dy компоненты директора, откуда волновой вектор структуры вдоль оси OY: q∼lxzхЕx/K22. Этот эффект должен появляться всегда, однако по ряду причин до сих пор он не наблюдался. Для наблюдения холестерического эффекта необходимы НЖК с очень малыми диэлектрической анизотропией и электропроводностью. Эти условия удается реализовать в НЖК класса двухкольчатых эфиров путем подбора различных концевых групп при наличии группы COO в центре, обладающей сильной поляризуемостью. Обычно после очистки удельное сопротивление этих кристаллов около 6⋅1012 Ом·см, а диэлектрическая проницаемость ε≈ε⊥~5,75 при ε-ε⊥<0,005. Изложенные ниже исследования холестерического эффекта, индуцированного электрическим полем, проводились с помощью поляризационного микроскопа и комплектующих его приставок. Спектральная фотометрическая приставка микроскопа имела прямоугольный зонд 5х1000 мкм и позволяла проводить фотометрирование и анализ двупреломления с участков кристалла таких размеров. Регистрация сигналов с фотоэлектронного умножителя для длин волн 200-800 нм проводилась цифровым вольтметром и двухкоординатным самописцем, быстро протекающие процессы исследовались с помощью запоминающего осциллографа с последующей обработкой на компьютере. Температура образца, помещенного в термостатическую камеру, регулировалась с точностью до 0,1о C. Электрическое поле задавалось генератором сигналов специальной формы или источником постоянного напряжения Б5-11. Двупреломление и угол ориентации директора НЖК определялись из анализа эллиптичности света с помощью компенсатора Сенармона с постоянной разностью хода. В работе исследовались НЖК смесей двухкольчатых эфиров с концевыми группами Х, Y: X1=С4H9; X2=C6H13O; X3=С4H9OC; Y1=OC6H13; Y2=OC4H9; Y3=OC2H5. Диэлектрические проницаемости ε и ε⊥ смесей и чистых компонентов измерялись (до 100 кГц) с помощью моста переменного тока Р576, а электропроводность – мостом постоянного тока Р5025, двупреломление определялось по величине разности хода гомеотропно ориентированного НЖК в плоскопараллельной кювете, наклоненной под углом 10о к лучам света. Для создания выделенного направления ориентации на одной из подложек создавался микрорельеф с достаточно большим шагом 10-5 см полировкой подложки в выделенном направлении. При шаге микрорельефа менее 10-5 см получались образцы только с планарной ориентацией молекул на одной из подложек. Рассмотрим динамику спиральных структур при различных величинах электрических полей в слоях НЖК, где ось OZ перпендикулярна пластинам конденсатора, а директор nOX. При слабых граничных условиях практически сразу начинается реориентация директора и образование доменных структур, при этом домены образуют концентрические окружности различного радиуса и повторяющие геометрию сферолитов. При наличии микрорельефа на одной из подложек доменная структура имеет вид системы параллельных полос. Волновой вектор таких структур пропорционален приложенному полю. Однако ширина доменов одинакова при различной толщине образцов кристаллов, но равных напряженностях электрического -2 q*10 , см -1 поля. Из выражения для момента кручения легко видеть, что при смене полярности угол ориентации в некоторой точке образа должен измениться на противоположный. Действительно, такой эффект наблюдается при изменении полярности электрического поля. При этом волновой вектор вначале уменьшается до нуля (шаг доменных структур большой), а затем вновь возрастает до исходного значения. При циклическом переключении полярности наблюдается гистерезис волнового вектора, зависящий от частоты переключения. Величина гистерезиса зависит от НЖК и количества дефектов в доменной структуре. При выключении поля волновой вектор изменяется от фиксированного значения q, соответствующего полю E, до нуля. Время релаксации зависит от граничных условий. С увеличением частоты переключения электрического поля (E=const) ширина доменов растет. При резком выключении электрического поля (например, с E∼105 B⁄см) происходит постепенная раскрутка геликоидных структур и картины доменов, повторяются в обратном порядке. Соответствующие времена раскрутки доменов составляют 5 – 20 с (рис. 1). Оптическая структура 30 отдельных доменов определяется величиной 24 разности хода. Она имеет 18 полосчатую структуру, представляющую систему глав12 ных изогир и изохром. При малых напряженностях, когда 6 плоскость поляризации парал0 лельна оси геликоида, доменные 0 20 40 60 80 100 120 140 структуры не видны. В этом t, c случае отсутствует и дифракция Рис. 1. Зависимость волнового вектора света. Ориентация директора индуцированной спирали НЖК от времени около дефектов, восстанов-ленпри включении и выключении ная из поляризационно – электрического поля величиной 9 кВ/см. оптических измерений структура, позволяет отнести их к χ-дисклинациям спиральных структур. При больших полях растет количество таких χ-дисклинаций полу целой силы, распадающихся на λτ-пару (Ρ/2-пару), (где Р – шаг спирали, λ – длина волны падающего света) по схеме χ(1/2)=λ-2+τ+. С увеличением волнового вектора q число Р/2–пар растет и они образуют границу гиперболы, разделяющую слои. В результате в плоскости XOY образуется конфокальная текстура. Сравним зависимость волнового вектора от напряженности, вычисленную из анализа интенсивностей нулевого максимума дифрагированного света. Вопрос о рассеянии света на спиральных структурах был рассмотрен в монографии Белякова и Сонина [3]. Изучаемый здесь частный случай нормального падения света при λ < Р достаточно тривиален и фактически равносилен случаю дифракции света на фазовой решетке. Действительно модулированная структура представляет собой фазовую дифракционную решетку с периодическим изменением показателей преломления. При нормальном падении света на кристалл амплитуда дифрагированного света в нулевом максимуме Еу~sin(qL)≈qL, где L – толщина ЖК-слоя. Типичная зависимость q(Е), вычисленная из положения максимумов и минимумов, приведена на рис. 2. Величина q(Е), определенная таким образом, в два раза больше, чем определенная с помощью микроскопических наблюдений, т.к. значение углов ориентации –θ и +θ не различимы при дифракции света. 8 мкм 30 15 мкм q*10-3,см-1 24 30 мкм 18 100 мкм 12 6 0 0 2 4 6 8 Рис. 2. Зависимость волнового вектора индуцированной спирали НЖК от напряженности электрического поля. Для наглядности значения волнового вектора смещены для -3 -1 30 мкм на 5·10 см , для 15 мкм – -3 -3 на 7·10 , для 8 мкм – на 12·10 см-1. 10 E, кВ/см ЛИТЕРАТУРА 1. Де Жен П. Физика жидких кристаллов.– М.: Мир, 1977.– 377 с. 2. Желудев И.С. Симметрия и ее приложение.– М.: Атомиздат, 1976.– 170 с. 3. Беляков В.А., Сонин А.С. Оптика холестерических жидких кристаллов. – М.: Наука, 1982. – 162 с.
