Матвеенко В.Н., Кирсанов Е. А. Поверхностные явления в жидких кристаллах

Матвеенко В.Н., Кирсанов Е. А.

Поверхностные явления в жидких кристаллах

М.: Изд-во MГУ. 1991 - 272 с.: ил.
ISBN 5-211-01665-6

В монографии рассмотрены основные закономерности и теоретическне модели свойств анизотропной жидкости на примерах жидкористалличских систем. Обсуждены теоретические модели и экспериментальные данные при описании поверхностного параметра порядка, индуцированного подложкой в изотропной фазе нематогенов. Разобраны и классифицированы физико-химические механизмы ориентации жидких кристаллов.

Для преподавателей, научных работников, инженеров-технологов, cпециализирующихся в изучении поверхностных явлений в жидкокристаллических системах; может быть полезна студентам и аспирантам.

Рецензенты: профессор М. А. Анисимов, профессор А. С. Сонин

Содержание

Предисловие		6
ГЛАВА 1. ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА		7
1.1. Фазы и фазовые переходы		7
1.2. Текстура жидких кристаллов		9
1.3. Строение мезогенных молекул		10
1.4. Анизотропия физических свойств жидких кристаллов		13
1.5. Определение параметра порядка в жидких кристаллах оптическими методами		15
ГЛАВА 2. ЭНЕРГИЯ СЦЕПЛЕНИЯ ЖИДКОГО КРИСТАЛЛА С ПОДЛОЖКОЙ		18
2.1. Анизотропия межфазной поверхностной энергии		18
2.2. Деформация кручения		19
2.2.1. Кручение в случае "гладких" подложек		19
2.2.2. Деформация кручения на профилированных подложках		21
2.3. Влияние нежесткого сцепления на характер перехода Фредериксав магнитном поле		24
2.3.1. Жесткое сцепление со стенками		24
2.3.2. Нежесткое сцепление со стенками. Предельные случаи		27
2.3.3. Нежесткое сцепление со стенками. Общий случай		28
2.3.4. Экспериментальное определение потенциала сцепления с подложкой		30
2.3.5. Пороговое напряжение и напряжение насыщения при нежестком сцеплении		34
2.4. Флексоэлектрический эффект как метод определения характеристик сцепления жидкого кристалла с подложкой		36
2.4.1. Механизм флексоэлектрического (ФЭ) эффекта		36
2.4.2. Флексоэлектрический эффект в условиях нежесткого сцепленияс подложкой		39
2.4.3. Экспериментальное определение характеристик сцепления не-матика с подложкой		42
2.5. Локальный переход Фредерикса		44
2.5.1. Механизм локального перехода Фредерикса		44
2.5.2. Стабилизирующие поля		46
2.6. Зависимость электрического перехода Фредерикса от энергии сцепления		51
2.6.1. Особенности ориентации нематического кристалла в электрическом поле		51
2.6.2. Двулучепреломление образца при нежестком сцеплении		57
2.7. Гибридные ячейки		61
2.7.1. Энергия сцепления НЖК с подложкой и критическая толщина гибридной ячейки		61
2.7.2. Гибридная ячейка со слабым Н- и сильным Р-сцеплением		64
2.7.3. Гибридная ячейка со слабым Р- и сильным Н-сцеплением		67
2.7.4. Ограничения, накладываемые на величину K13		69
2.7.5. Слабые Р- и Н-сцепления нематика со стенками		70
2.7.6. Сильное Р- и Н-сцепление со стенками		72
2.7.7. Оптические свойства гибридной ячейки со слабым Р-сцеплением		73
2.8. Полное внутреннее отражение на границе подложки и ЖК		80
2.9. Проблема упругости второго порядка		83
2.9.1. Теория Неринга—Заупе		83
2.9.2. Математические аспекты вариационной задачи		85
2.10. Рассеяние света на флуктуациях ориентации НЖК в ячейке с нежестким сцеплением		88
ГЛАВА 3. ПОВЕРХНОСТНЫЙ ПАРАМЕТР ПОРЯДКА		90
3.1. Ориентационный параметр порядка и модель Ландау—Де Жена		90
3.1.1. Определение параметра порядка		90
3.1.2. Модель Ландау—Де Жена		91
3.2. Феноменологическая теория параметра порядка, индуцированного подложкой		93
3.2.1. Модель, основанная на разложении свободной энергии по параметру порядка		93
3.2.2. Аналитические решения		99
3.2.3. Фазовые диаграммы поверхностной упорядоченности		106
3.3. Использование молекулярно-статистической теории для оценки поверхностного параметра порядка		108
3.3.1. Теория Майера—Заупе		108
3.3.2. Применение теории Майера—Заупе к расчету поверхностной упорядоченности		110
3.4. Экспериментальные исследования поверхностного параметра порядка		114
3.4.1. Интерферометрические методы		114
3.4.2. Измерение оптической разности фаз		116
3.4.3. Измерение коэффициента поглощения		120
ГЛАВА 4. ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ		131
4.1. Результаты экспериментальных исследований		131
4.1.1. Поверхностное натяжение нематогенных соединений		131
4.1.2. Поверхностное натяжение холестерических мезофаз		136
4.1.3. Поверхностное натяжение смектических мезофаз		137
4.2. Расчет поверхностного натяжения жидких кристаллов с помощью работы когезии		139
4.3. Молекулярно-статистическая теория поверхностного натяжения жидких кристаллов, основанная на анализе корреляционных функций		145
4.3.1. Исходные уравнения для простой жидкости		145
4.3.2. Термодинамические и корреляционные функции объемной не-матической фазы		149
4.3.3. Модель Мураками для описания скачка поверхностного натяжения при фазовом переходе		154
4.3.4. Расчет скачка поверхностного натяжения при фазовом переходе нематик—изотропная фаза		158
4.3.5. Модель Парсонса для расчета поверхностного натяжения не-матической жидкости		159
4.4. Молекулярно-статистическая теория жидких кристаллов, учитывающая "исключенный объем" молекул		162
4.5. Молекулярно-статистическая теория поверхностного натяжения жидких кристаллов, учитывающая профили плотности и параметра порядка в переходной зоне		165
4.5.1. Концепция поверхностного поля ориентирующих моментов сил		165
4.5.2. Статистическая теория поверхности жидкого кристалла с переходной зоной		167
4.5.3. Модель Ландау—Де Жена для поверхности нематического жидкого кристалла		171
4.6. Феноменологическая модель поверхностного натяжения, зависящего от параметра нематического порядка		173
4.7. Свойства поверхности для системы полностью упорядоченных анизотропных молекул		175
ГЛАВА 5. ОРИЕНТАЦИЯ МОЛЕКУЛ НА СВОБОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ НЕМАТИЧЕСКОЙ ЖИДКОСТИ НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА НЕМАТИК— ИЗОТРОПНАЯ ФАЗА		178
5.1. Определение угла наклона молекул на свободной поверхности не-матической жидкости		178
5.2. Энергия сцепления на свободной поверхности нематической жидкости		185
5.3. Теория Ландау—Де Жена граничного слоя НЖК—ИФ и межфазное поверхностное натяжение		187
5.4. Определение молекулярной ориентации и энергии сцепления на границе НЖК—ИФ		189
5.5. Строение межфазной зоны на границе НЖК—ИФ		191
ГЛАВА 6. ОРИЕНТАЦИЯ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ НА ПОДЛОЖКАХ		196
6.1. Подложка и ориентант		196
6.2. Изотропная жидкость на твердой поверхности		200
6.3. Жидкокристаллическая фаза на гладкой твердой подложке		205
6.4. Ориентационные диаграммы		211
6.5. Связь ориентации НЖК с поверхностной энергией подложки		215
6.6. Полярное взаимодействие НЖК с подложкой с учетом электрических полей поверхности		220
6.7. Модель ориентирующего действия ПАВ. Связь со структурой и плотностью поверхностного слоя ПАВ		222
6.8. Адсорбция полярных примесей на поверхности подложки		229
6.9. Профилированные подложки		235
6.9.1. Натирание		235
6.9.2. Напыление		238
6.9.3. Температурная зависимость угла преднаклона на напыленной поверхности		242
6.9.4. Комбинированная обработка подложек и специальные методы создания рельефа		243
6.10. Неоднородная поверхность подложки		244
6.11. Смектическая упорядоченность, индуцированная поверхностьюраздела		245
6.12. Тонкие ЖК пленки с асимметричными граничными условиями		246
6.12.1. Тонкие ЖК пленки на твердых подложках		246
6.12.2. Тонкие ЖК пленки на поверхности воды		248
6.13. Ориентация холестерических кристаллов		249
6.13.1. Нематохолестерические смеси		249
6.13.2. Влияние поверхности на порог перехода от пленарной к го-меотропной текстуре в нематохолестерической смеси		250
6.13.3. Ориентация холестерических соединений		253
6.14. Ориентация смектических кристаллов		254
6.14.1. Граничные условия для смектической А фазы		254
6.14.2. Ориентация в плоскопараллельных ячейках		255
6.14.3. Текстурные переходы на обработанных подложках		256
6.14.4. Ориентация на свободной поверхности смектической фазы		257
6.14.5. Угол наклона смектической А фазы на подложке		258
6.15. Ориентация на сколах монокристаллов		259
Заключение		262
Литература		264

ПРЕДИСЛОВИЕ

Исследования жидких кристаллов все более углубляются и дифференцируются. Этот процесс легко проследить по изменению характера монографий и обзоров. Первые книги с общим заглавием «жидкие кристаллы» (И. Г. Чистяков, С. Чандрасекар) охватывали практически весь круг проблем мезоморфного состояния. Появились монографии по отдельным разделам: электро- и магнитооптика (Л. М. Блинов), акустика (А. П. Капустин, О. А. Капустина), теоретические аспекты физики жидких кристаллов (П. де Жен, А. С. Пикин). Дальнейшее углубление наших знаний привело к изданию книг по еще более узкой тематике, например по оптике холестеричеоких кристаллов (В. А. Беляков, А. С. Сонин).

За последний десяток лет статус отдельного научного направления приобрели вопросы, связанные с ориентацией жидких кристаллов на различных поверхностях. Об этом говорят рост числа статей и появление обзоров по физике и химии поверхностных явлений в жидких кристаллах (Лукьяненко, Козунов, Григос, 1985; Матвеенко, Кирсанов, 1986; Блинов, Кац, Сонин, 1987; Коньяр, 1986; Гуссенс, 1985).

В ряде направлений отечественные исследования развиваются наравне или опережают зарубежные. К лидирующим направлениям можно отнести работы по спонтанному переходу Фредерикса, по ориентации на монокристаллах и сегнетоэлектриках. Еще в 60-е гг. в г. Иваново начались экспериментальные исследования поверхностного натяжения мезофаз. Экспериментальные и теоретические работы по многим ключевым моментам физико-химии поверхности успешно ведутся в московских институтах (Институт кристаллографии, НИОПИК, МГУ и др.).

Возрастающий интерес специалистов вызвал новый раздел «Пленки. Поверхностные явления» в жидких кристаллах в реферативных журналах.

Перечисленные обстоятельства и множество еще нерешенных вопросов определили круг систематизации и обобщения материала, представленного в книге, специально посвященной физхимии поверхности жидких кристаллов. В «ней дается представление о наиболее известных явлениях на границе жидких кристаллов с другими фазами. Кроме того, описываются те эффекты, которые мало представлены в существующих обзорах, например ориентация холестеричеоких и смектических кристаллов на подложках, особенности поверхностного натяжения мезофаз.

Материал изложен таким образом, чтобы у читателя не возникла необходимость сразу же обращаться к статьям-первоисточникам.

Надеемся, что книга сможет ввести читателя в эту сравнительно молодую область физико-химии жидких кристаллов, а также будет стимулировать интерес к дальнейшим исследованиям.

Сервер создается при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований
Не разрешается копирование материалов и размещение на других Web-сайтах
Вебдизайн: Copyright (C) И. Миняйлова и В. Миняйлов
Copyright (C) Химический факультет МГУ
Написать письмо редактору