Оптична анізотропія деформованих та дефектних структур в рідких кристалах

П'ятий розділ присвячений оптичній характеризації фрустрованих рідкокристалічних фаз та їх дефектів. Спочатку дається загальна характеристика фрустрованих фаз, як структур, з впорядкуванням спонтанних дефектів (підрозділ 5.1). Спонтанні дефекти є наслідками двох (чи більше) тенденцій до впорядкування, які несумісні між собою: подвійна закрутка (блакитні фази), спонтанна закрутка директора в присутності смектичних шарів в напрямку неколінеарному до смектичної нормалі (TGB фази, смектик Q) чи в присутності стовпців (колумнарні TGB фази, B7 банано-фаза). Експериментально досліджено чотири типи фрустрованих фаз: холестеричні блакитні фази, смектик Q, TGBA фаза та B7 банано-фаза.

Для блакитних фаз та передперехідної області ізотропної фази приведені результати одночасного вимірювання азимута та еліпса поляризації світла на виході зі зразка та обговорюються причини слабкої, але все ж ненульової оптичної анізотропії (підрозділ 5.2).

Ще одна фрустрована фаза, яка вивчається в дисертації (підрозділ 5.3) рентгеноструктурними та оптичними методами, носить назву Смектик Q (SmQ). Результати рентгенівських досдіджень вказують на локальний смектичний порядок молекул в цій фазі. Разом з тим рентгенограми містять рефлекси, розташування яких свідчать про наявність тримірної тетрагональної суперструктури. Рентгенограми, отримані для різних орієнтацій, добре узгоджуються із просторовою групою I4122. Було запропоновано [6*] дві моделі для SmQ фази, які однаково добре узгоджуються із нашими рентгенівськими даними, а тому не видавалось можливим зробити вибір між цими моделями. В обидвох моделях фаза SmQ складається із блоків SmCA* фази, які повертаються на 900 відносно осі (вісь четвертого порядку є оптичною віссю), паралельної до смектичних шарів так, що молекули є або нахилені до цієї осі (модель І) або перпендикулірні до неї (модель ІІ). Проблему розв'язано за допомогою вивчення оптичої анізотропії цієї фази. Показано, що дві запоропоновані моделі передбачають суттєво відмінні значення двозаломлення. Експериментальне вимірювання двозаломлення зразків SmQ фази кількома методами дало змогу однозначно зробити вибір між цими двома моделями і, таким чином, встановити структуру цієї фази. Малі значення двозаломлення (~10-3) узгоджуються із моделлю І, в якій молекули нахилені відносно осі четвертого порядку (оптичної осі), та суперечать моделі ІІ, для якої очікується двозаломлення порядку 0.2, характерне для смектиків, побудованих молекул з подібною структурою. Поляризаційно-мікроскопічні спостереження також вказують на те, що SmQ фаза є правдивою рідкокристалічною структурою із рідинними властивостями в одному напрямку. Ця фаза може бути класифікована як смекто-колумнарна рідкокристалічна фаза.

В підрозділі 5.4 розглядаються індуковані дефекти TGBA фази. На основі топологічної класифікації дефектів в TGBA запропоновано процедуру ідентифікації цієї фази за її дефектами, спостережуваними в оптичнй мікроскоп. Приведено експериментально спостережуваний факт розщепленя монопольної структури холестеричної краплі в петлю в речовинах холестерин нонаноат і Т10, що володіє TGBA фазою [7*] та запропоновано модель цього перетворення. Показано, що перетворення холестеричних ФКД в домени розгортання при переході з холестеричної в TGBA фазу є ідентифікаційною текстурною особливістю цього переходу. Отримані результати свідчать про те, що на відміну від холестерил міристату та хіралізованого 8CB (8CB+холестерил міристат), холестерил нонаноат, матеріал, який традиційно вважався класичним холестериком, у вузькому температурному інтервалі (близько 1oC) між холестериком та смектиком А володіє TGBA фазою.

Форма зародків B7 банано-фази є предметом розгляду в підрозділі 5.5. Текстурні спостереження свідчать про те, що існує два типи зародків: гелікоїдальні та негелікоїдальні, які відповідають двом різним станам B7 фази: хіральному метастабільному та нехіральному стабільному. Запропоновано моделі для обидвох типів структур: гелікоїдальні форми є гігантським гвинтовими дислокаціями в їх розщепленій моді, а негелікоїдні є доменами розгортання. Вперше виявлено теоретично передбачений (див. [33]) домен розгортання типу “сингулярна точка”. Зафіксовано спонтанне перетворення гелікоїдних форм в негелікоїдні. Перетворення є незворотнім: негелікоїдні форми не перетворюються в гелікоїдні, що означає, що гелікоїдні форми відповідають метастабільному стану. Процес цього перетворення нагадує процес Вольтера, введений як теоретична модель утворення дефектів в кристалах. Детальний текстурний аналіз спостережень пов'язує текстурні особливості із внутрішньою орієнтаційно-трансляційною структурою B7фази та підтверджує її смектоколумнарну природу.

ВИСНОВКИ

В результаті виконання даної дисертаційної роботи сформований новий напрям оптики рідких кристалів, а саме - оптична анізотропія деформованих та дефектних структур в рідких кристалах.

Встановлено, що деформації та дефекти рідкокристалічних структур, впливаючи на оптичну анізотропію, створюють додаткові можливості для їх вивчення оптичними методами. Зокрема:

розроблений метод візуалізації деформацій поля директора на основі аналізу коноскопічних картин дозволяє виявити деформації, які не вдається зареєструвати іншими відомими методами. Запропоновано аналітичний алгоритм для комп'ютерної побудови коноскопічних картин деформованих нематиків;

запропоновано метод вимірювання кута переднахилу (так званий метод коноскопічного магнітного нуля), який має преваги перед відомими аналогами в швидкості та надійності вимірювань і одночасно дає можливість виявити гібридну деформацію;

на основі експериментальних досліджень та теоретичного аналізу встановлено, що спотворення форми та розмиття ізохром пов'язані з наявністю у нематику гібридної деформації поля директора.

На основі проведених комплексних досліджень двозаломлюючих і поглинаючих властивостей ліотропних хромонематиків виявлено, що

для ліотропних хромонематиків хромолину та барвників - Блакитного-27 та Фіолетового-20 є характерною від'ємна оптична анізотропія двозаломлення і поглинання;

взаємозв'язок структури молекулярних агрегатів з оптичною анізотропією проявляється у тому, що ліотропні хрономатики побудовані з молекулярних агрегатів, які мають форму стержнів, складених з пластинко подібних молекул, володіють від'ємними двозаломленням і дихроїзмом;

в поглинаючих матеріалах Блакитного 27 та Фіолетового 20 дисперсія двозаломлення має аномальний характер поблизу смуги поглинання, а зменшення двозаломлення хромонематика Блакитного 27 до нуля при довжині хвилі оптичного випромінювання 575нм відповідає значному лінійному дихроїзму;

особливості температурної поведінки дихроїзму свідчать про температурну залежність скалярного параметра порядку нематичної фази Блакитного 27, а його високе значення при температурі переходу в ізотропну фазу узгоджується з моделлю Онзагера.

На основі теоретичного аналізу та експериментальних досліджень залежностей оптичної фазової затримки R як функції напруги V, прикладеної до нематичної планарної комірки

запропоновано, так званий RV-метод вимірювання коефіцієнта W зенітального зчеплення нематика, який має ряд переваг в порівнянні із відомими аналогами;

встановлено що проблема вольт-залежних та від'ємних значень нематичного коефіцієнта зенітального зчеплення W при його вимірюванні за методикою високих полів пов'язана із відхиленням експериментально отриманої оптичної фазової затримки від теоретичної;

показано, що відхилення поведінки R(V) від теоретично передбаченої є наслідком внутрішньо-площинних неоднорідностей підкладок комірки. Запропоновано виявляти вплив цих неоднорідностей на достовірність отриманих значень коефіцієнта W шляхом аналізу залежності надлишкового пропускання світла при вимірюванні фазової затримки методом Сенармона.

Запропоновано коректну процедуру вимірювання коефіцієнта W, яка дає можливість уникнути проблеми вольт-залежних та від'ємних значень коефіцієнта W.

На основі проведених досліджень температурної поведінки статичного та динамічного розсіяння світла і в'язкості водного розчину хромолину встановлено, що

довжина агрегатів змінюється від 10нм при T=ТNI+5оС до 20нм при ТNI. Температурна поведінка динамічного та статичного розсіяння світла узгоджується з температурною поведінкою зсувної в'язкості;

кореляційна довжина передперехідних флуктуацій анізотропії зростає при підході до температури переходу в нематичну фазу, подібно до того, як це відбувається у термотропних рідких кристалів, а час релаксації орієнтаційних флуктуацій параметра порядку прямує до безмежності при наближенні до межі абсолютної стабільності ізотропної фази;

існує суттєвий вклад флуктуацій концентрації в інтенсивність розсіяного світла; спостерігається суттєве відхилення температурної поведінки оберненої інтенсивності від закону Кюрі-Вейса та нелінійна температурна залежність коефіцієнта A в розкладі Ландау-де Жена;

На основі дослідження оптичної анізотропії фрустрованих рідкокристалічних фаз показано, що

що блакитні фази та передперехідна область ізотропної фази володіють слабким двозаломленням та значною оптичною активністю, що проявляється в ненульових значеннях відхилення азимута еліпса поляризації і еліптичності хвилі на виході зі зразка. Встановлено, що однією з причин наявності лінійного двозаломлення є поверхнево-індуковане впорядкування;

структура SmQ в речовні (R),(R) 4'-(1-метилгептилоксикарбоніл) толаніл 4'-(1-метилгептилоксикарбоніл) толан-4-карбоксилату в температурній області 90-115.5oC є оптично одновісною і володіє слабким двозаломленням, відповідаючи моделі, відповідно до якої рідкокристалічна фаза SmQ локально подібна до фази SmCA* а саме: смектичні шари є паралельними до осі четвертого порядку (оптичної осі), а молекули нахилені до цієї осі. Результати оптичних досліджень підтверджені нашими результатами рентгеноструктурного аналізу і встановлено, що SmQ фаза володіє групою симетрії I4122;

монопольна структура холестеричної краплі холестерил нонаноату зазнає перетворення ще до переходу в смектичну А фазу (приблизно 1 оC від точки переходу), тобто радіус-дисклінація розщеплюється на дві спірально сплетені дисклінації, а її кінець перетворюється в петлю із двома сингулярними точками, що візуалізують місця обриву смектичних шарів в площині петлі;

поляризаційно-мікроскопічні дослідження поведінки дефектів дають можливість провести топологічну класифікацію дефектів в TGBA фазі, зробити аналіз топологічних і фізичних властивостей дисклінацій і диспірацій та ідентифікувати TGBA фазу і банано-фазу В7 за їхніми дефектами;

два типи зародків В7 фази - гелікоїдальні і не гелікоїдальні (гелікоїдальні є гігантськими гвинтовими дислокаціями, в той час як негелікоїдальні є доменами розгортання) відповідають метастабільному і термодинамічно-стабільному станам. Між цими двома станами спостерігається спонтанний незворотній перехід від гелікоїдального до негелікоїдального стану.

існує новий тип дефектів, який був теоретично передбачений для колумнарних фаз і названий доменом розгортання “сингулярна точка”.

На основі поляризаційно мікроскопічних досліджень дефектів в смектику А показано, що фокальний конічний домен (ФКД), який при експериментальному аналізі текстур традиційно вважається ідеальною геометричною конструкцією, насправді може бути сильно спотвореним. Запропоновано модель, згідно з якою ці спотворення виникають внаслідок взаємодії ФКД з дислокаціями. Методом флюоресцентної конфокальної поляризаційної мікроскопії, встановлено, що періодична квазігексагональна структура тонких гібридноорієнтованих смектичних комірок складається з фрагментованих ФКД.

СПИСОК ПОСИЛАНЬ

[1*]. A. Lien. A detailed derivation of extended Jones matrix representation for twisted nematic liquid crystal displays // Liquid Crystals. - 1997. -Vol. 22, No. 2. - P.171 - 175.

[2*]. Влох О.Г., Кобилянський В.Б., Лазько Л.А. Інтерференція світла в одновісних гіротропних кристалах та її застосування для визначення компонент тензора гірації // Укр. Фіз. Журн. - 1974. - т.19, №10, С.1631-1638.

[3*]. Yokoyama H. and van Sprang H. A. A novel method for determining the anchoring energy function at a nematic liquid crystal-wall interface from director distortions at high fields // J. Appl. Phys. - 1985. - 57. - P.4520-4526.

[4*]. Константинова А.Ф., Гречушников Б.Т., Бокуть Б.В., Валяшко Е.Г. Оптические свойства кристаллов. - Минск: Навука i Тэхніка, 1995. - 302с.

[5*]. Ruan L.Z., Sambles J.R. , and Stewart I.W. Self-Organized Periodic Photonic Structure in a Nonchiral Liquid Crystal // Phys.Rev.Lett. - 2003. - 91 . - P.033901:1-4.

[6*]. Levelut A.M., Hallouin E., Bennemann D., Heppke G. and Lotzsch D. The smectic Q phase, a crystal of twist grain boundaries with smectic order // J. Phys II France. -1997. - 7. - P.981_1000.

[7*]. Nguyen H.-T., Bouchta A., Navailles L., Barois P., Isaert N., Twieg R. J., Maaroufi A. and Destrade C. TGBA and TGBC phases in some chiral tolan derivatives // J.Physique II France. - 1992. - 2. - P.1889-1906.

СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Влох О.Г., Настишин Ю.А., Сосновский Т.М. Новые особенности физических свойств голубых жидкокристаллических фаз // Письма в Журн. Техн. Физ. - 1992- т.18, 9. - C.43_48.

Lavrentovich O.D. and Nastishin Yu.A., Optical Bragg diffraction of the helical smectic A liquid crystal // Mol.Cryst.Liq.Cryst. - 1992. - v.221. - P.57-60.

Влох О.Г., Настишин Ю.А., Сосновский Т.М. Влияние дефектов на физические свойства голубых фаз жидких кристаллов // Кристаллография. - 1993. - т.38, 6. - C.280-282.

Nastishin Yu.A., Lambert E., Boltenhagen Ph. Temperature-induced structural transitions of the quasiternary system cetylpyridinium chloride-hexanol-brine // C.R.Acad.Sci.Paris. - 1995. -t.321, Serie IIb. - P.205-210.

Nastishin Yu.A. Brine-rich corner of the phase diagram of the ternary system cetylpyridinium cloride-hexanol-brine // Langmuir. - 1996. - 12, 21. - P.5011-5015.

Настишин Ю.А. Температурні дослідження системи цетил піридин хлорид - гексанол солона вода // Укр. Фіз. Журн. - 1996. - 41, 2. - C.185-189.

Готра З.Ю., Настишин Ю.А., Смалюх I.I., Сенюк Б.I. Автоматизація вимірювання кута повертання площини поляризації світла // Вісник Державного Університету "Львівська Політехніка", Серія "Автоматика, Вимірювання, Керування". - 1996. - 305. - P.91-99 .

Деклараційний патент на винахід, Україна (UA)29750А, 6 G01J4/04. Настишин Ю.А., Смалюх І.І., Еліпсометр, 15.11.2000. Бюл.№ 6-ІІ.

Настишин Ю.А. Передперехідна електропровідність L? фази // Укр. Фіз. Журн. - 1997. -42, 1. - C.168-172.

Настишин Ю.А., Довгий O.Б. Індуковаий поверхнею L??прошарок у L3 фазі ліотропної системи // Укр. Фіз. Журн. - 1997. - 42, 4. - C.430-432

Готра З.Ю., Настишин Ю.А., Смалюх I.I., Сенюк Б.I. Моделювання аномального повертання площини поляризації світла холестеричними рідкими кристалами в передперехідній області ізотропної фази // Materials of 1-st International modelling school- Crimea Autumn' 96, Alushta (Ukraine), September 12-17, 1996. - P.101-103.

Nastishin Yu. A., Smalyukh I. I. Surface influence on the properties of the isotropic phase of a chiral liquid crystal // SPIE Proceedings. - 1998. -Vol. 3488. - P.149-155.

Nastishin Yu. A., Smalyukh I. I., Gotra Z. Yu. Observation of magneto-optical effect in the supercooled blue phase // SPIE Proceedings. - 1998. - Vol.3488. - P.21-28.

Nastishin Yu. A., Dovgyi O. B., Kostruba A. The studies of the interface between the L3 (sponge) phase and a solid substrate // SPIE Proceedings. - 1998. - Vol. 3488. - P.156-163.

Nazarenko V. G., Clair A. K. St., Klouda R., Polak R. D., Nastishin Yu. A., Lavrentovich O. D. Chemically imidized polyimide as an alignment material for LCDs // SID 98 DIGEST. - 1998. - v.XXIX, 11.3. - P.135-138 .

Настишин Ю.А., Смалюх I.I. Передпереходное вращение плоскости поляризации света в изотропной фазе холестерического жидкого кристалла // Оптика и Спектроскопия. - 1998. - т.85, No3. - C.465-468.

Настишин Ю.А., Смалюх I.I. Вплив магнітного поля на повертання площини поляризації світла в блакитних фазах холестеричного рідкого кристалу // Журнал Фізичних Досліджень. - 1998. - т.2, № 3. -- C.335-338.

Настишин Ю.А., Довгий O.Б. Товщинна залежність електропровідності L? фази // Укр. Фіз. Журн. - 1998. - 43, 2. - P.233-237.

Shenoy D., Gruenberg K., Naciri J., Shashidhar R., Nastishin Yu., Polak R. and Lavrentovich O.D. Device Properties and Polar Anchoring of Nematic molecules at photodimerized Surfaces // SPIE Preceedings. - 1999. - v.3635. - P. 24-30

Nastishin Yu.A., Polak R.D., Shiyanovskii S.V. and Lavrentovich O.D. Determination of nematic polar anchoring from retardation versus voltage measurements // Appl.Phys.Lett. - 1999. - v.75, No 2. P..202-204.

Nastishin Yu.A., Polak R.D., Shiyanovskii S.V., Bodnar V.H. and Lavrentovich O. D. Nematic polar anchoring strength measured by electric field techniques // J.Appl.Phys. - 1999. - v.86, No8. - P.4199-4213.

Смалюх I.I., Настишин Ю.A. Оптично поляризаційні дослідження холестеричних блакитних фаз // Укр. Фіз. Журн. - 2000. - т.45, No 8. - P.941-947.

Nastishin Yu.A., Dovgyi O.B., Kostruba A.M.. Optical study of the interface between the thermotropic L3 (sponge) phase and solid substrate. Ukrainian Journal of Physical Optics. - 2000. - 1, No2. - P.96-102 .

Nastishin Yu.A., Kleman M., Malthete J., Nguyen T.N. Identification of a TGB A phase via its defects // Eur.Phys. J. E. - 2001. - 5. - C.353-357.

Nastishin Yu.A., Dovgyi O.B. Optical conoscopy of distorted uniaxial liquid crystals. // Ukrainian Journal of Physical Optics. - 2001. - 2, N2. - C.98-106.

Nastishin Yu.A., Vlokh O.G., Dovgyi O.B. Computer simulation of conoscopic patterns for gyrotropic birefringent crystals // Ukrainian Journal of Physical Optics. - 2001. - 2, N3. - P.133-140 .

Nastishin Yu.A., Kleman M., Dovgyi O.B. Textural and conoscopic studies of chiral liquid crystals possessing cholesteric - smectic A or cholesteric - TGBA - smectic A phase transitions // Ukrainian Journal of Physical Optics. - 2002. - Vol.3, №1. - P.1 - 11.

Kleman M., Nastishin Yu.A., Malthete J. Defects in TGBA phase: a theoretical approach // Eur. Phys. J. E. - 2002. - 8. - P. 67-78.

Nastishin Yu.A. Optical techniques for characterization of distorted liquid crystals // Ukrainian Journal of Physical Optics. - 2002. - Vol.3, №3. P.171-193.

Nastishin Yu.A., Achard M.F., Nguyen H.T., Kleman M. Textural analysis of a mesophase with banana shaped molecules // Eur.Phys. J. E. - 2003. - 12. - P.581-591.

Asnacios S., Meyer C., Nastishin Yu. A., Kleman M. and Malthete J. Rheological properties of chiral liquid crystals possessing a cholesteric-smectic A transition // Liquid Crystals. - 2004. - 31, 4. - P.593-599.

Pishnyak O.P., Nastishin Yu.A. and Lavrentovich O.D., Comment on "Self-organized periodic photonic structure in a nonchiral liquid crystal" // Phys. Rev. Lett. - 2004. - 93, 10. - P.109401_1.

Kleman M., Lavrentovich O.D. and Nastishin Yu.A. Dislocation and disclination in mesomorphic phases. In Dislocations in Solids. v.12. Ed. by F.R.N. Nabarro and J.P. Hirth. -Elsevier, 2004. - P. 147-271.

O.P.Pishnyak, Yu.A. Nastishin, O.B.Dovgyi, S.V.Shiyanovskii and O.D.Lavrentovich. Conoscopic Magnetic Null to measure the pretilt angle // Great Lakes Photonics Symposium, Cleveland, Ohio, USA, 7-11 June, 2004. - Programme and Book of Presentations (on CD).

Nastishin Yu.A., Liu H., Shiyanovskii S.V., Lavrentovich O.D. and Kostko A., Anisimov M. Pretransitional fluctuations in the isotropic phase of a lyotropic chromonic liquid crystal // Phys.Rev.E. - 2004. - 70. - P.051706:1-9.

Pansu B., Nastishin Y., Imperor-Clerc M., Veber M., Nguyen H. T. New Investigations on the tetragonal liquid crystalline phase or SmQ // Eur.Phys.J.E. - 2004. - 15. - P.225-230 .

Achard M.-F., Kleman M., Nastishin Yu.A., Nguyen H.-T. Liquid crystall helical ribbons as isometric textures // Eur. Phys. J.E. - 2005. - 16. - P.37-47.

M. Kleman, C.Meyer, Yu.A. Nastishin . Imperfections in Focal Conic Domains: The Role of Dislocations // ArXiv:cond-mat/0507024, v1, 1Jul 2005.

C.Meyer, Yu.A. Nastishin, M. Kleman. Transformations des domaines a coniques focales au voisinage de la transition Smectique A-Nematique // 12eme Colloque Francophone sur Cristaux Liquides, 13-16 Septembre, 2005. - Montpellier. France. Abstracts. - P.9 (O3).

O.Pishnyak, Yu. Nastishin, and O. D. Lavrentovich. Applications of SmA liquid crystals for light deflection. // Great Lakes Photonics Symposium, Cleveland, Ohio, USA, 7-11 June, 2004; Liquid Crystals in Optics & Photonics conference, Fall 2005 Meetting of the Great Lakes SPIE Regional Chapter, October 27-28, 2005. - Kent, Ohio, USA. Abstracts and Programme.

Nastishin Yu. A., Liu H., Schneider T., Nazarenko V., Vasyuta R., Shiyanovskii S.V. and Lavrentovich O.D. Optical characterization of the nematic lyotropic chromonic liquid crystals: light absorption, birefringence, and scalar order parameter // Phys.Rev. E. - 2005. - 72, N4. - P.041711:1-14

АНОТАЦІЯ

Настишин Ю.А. Оптична анізотропія деформованих та дефектних структур в рідких кристалах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.05 - оптика, лазерна фізика. Інститут фізичної оптики Міністерства освіти і науки України, Львів, 2006.

В дисертації розглядаються особливості оптичної анізотропії деформованих та дефектних структур в рідких кристалах. Теоретично і експериментально показано, що внаслідок високої чутливості оптичної анізотропії до неоднорідностей поля директора оптичну коноскопію можна ефективно використовувати для виявлення та характеризації деформацій поля директора в плоских нематичних комірках; приведено комп'ютерно модельовані та експериментально отримані коноскопічні картини деформованих нематиків; запропоновано так званий метод коноскопічного магнітного нуля для вимірювання кута переднахилу та виявлення гібридності поля директора.

На основі теоретичних і експериментальних досліджень залежностей оптичної фазової затримки R від прикладеної напруги V в планарних нематичних комірках далеко від переходу Фредерікса запропоновано так званий RV-метод для визначення зенітального коефіцієнта зчеплення W нематика. Значна увага приділена достовірності значень W, отриманих за допомогою методів високих полів. Показано, що поява нефізичних (вольт-залежних та від'ємних) значень W (проблема відома з літератури та зареєстрована нами), пов'язана із внутрішньоплощинними неоднорідностями підкладок комірки; запропоновано процедуру тестування, яка дає змогу уникнути проблеми нефізичних значень коефіцієнта W при його вимірюванні методами високих полів.

На добре орієнтованих зразках вперше проведено оптичну характеризацію ліотропних хромонематиків (прозорого матеріалу хромолину та двох поглинаючих (Блакитного 27 та Фіолетового 20)) у видимому діапазоні довжин хвиль світла. Експериментально отримано температурні, концентраційні та дисперсійні залежності двозаломлення та відповідні залежності для коефіцієнтів поглинання (для поглинаючих матеріалів); дані по поглинанню використано для визначення скалярного параметра порядку для нематичної фази Блакитного 27 та його температурної залежності. Результати досліджень статичного та динамічного розсіяння світла в ізотропній фазі хромонематика вказують на зростання довжини хромонічних агрегатів при підході до фазового переходу в нематичну фазу.

В роботі проведено дослідження оптичної анізотропії фрустрованих рідкокристалічних фаз: блакитних фаз та смектика Q. Для блакитних фаз та передперехідної області ізотропної фази проведено дослідження температурних залежностей азимута та еліптичності світла на виході зі зразка та зроблено висновок про те, що одним із механізмів появи оптичної анізотропії в блакитних фазах та в передперехідній області може бути вплив поверхні. Вимірювання двозаломлення іншої фрустрованої фази, смектика Q в поєднанні із даними рентгеноструктурного аналізу дало можливість встановити структуру цієї фази.

Оптична характеризація дефектів представлена дослідженнями недосконалостей фокальних конічних доменів (ФКД) в смектику А, вивченням перетворень дефектів при переході з холестерика в TGBA фазу та текстурними дослідженнями зародків баноно-фази В7 при її зародженні з ізотропної фази. Запропоновано моделі структур дефектів.

Ключові слова: оптична анізотропія, оптична характеризація, оптична коноскопія, двопроменезаломлення, поглинання світла і лінійний дихроїзм, рідкі кристали, деформації поля директора, дефекти в рідких кристалах.

АННОТАЦИЯ

Настишин Ю.А. Оптическая анизотропия деформованных и дефектных структур в жидких кристаллах. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.05 - оптика, лазерная физика. Институт физической оптики Министерства образования и науки Украины, Львов, 2006.

В диссертации рассматриваются особенности оптической анизотропии деформованных та дефектных структур в жидких кристаллах. Теоретически и экспериментально показано, что вследствие высокой чувствительности оптической анизотропии к неоднородностям поля директора оптическую коноскопию можно эффективно использовать для обнаружения и характеризации деформаций поля директора в плоских нематичних ячейках. Представлены компьютерно моделлированные и експериментально полученные коноскопические картины деформованных нематиков; предложено так называемый метод коноскопического магнитного нуля для измерения угла преднаклона и обнаружения гибридности поля директора.

На основании теоретических и экспериментальных исследований зависимостей оптической фазовой задержки R от приложенного напряжения V в планарных нематических ячейках далеко от перехода Фредерикса предложено так называемый RV-метод для определения зенитального коэффициента сцепления W нематика. Значительное внимание уделено проблеме достоверности значений W, полученных с помощью методов високих полей. Показано, что появление нефизических (вольт-зависимых и отрицательных) значений W (проблема известна из литературы и зарегистрована нами), сязана с внутриплоскостными неоднородностями подложек ячейки; предложено процедуру тестирования, позволяющую избежать проблемы нефизических значений коэффициэнта W при его измерении методами высоких полей.

На хорошо ориентированных образцах впервые проведена оптическая характеризация лиотропных хромонематиков (прозрачного материалла (хромолина) и двух поглощающих (Голубого 27 и Фиолетового 20) в видимом диапазоне длин волн света. Експериментально получено температурные, концентрационнные и дисперсионные зависимости двупреломления и соответствующие зависимости для коэффициэнтов поглощения (для поглощающих материаллов); данные по поглощению использованы для определения скалярного параметра порядка нематической фазы Голубого 27 и его температурной зависимости. Результаты исследований статического и динамического рассеяния света в изотропной фазе хромонематика свидетельствуют об увеличении длины хромонических агрегатов при подходе к фазовому переходу в нематическую фазу.

В работе проведены исследования оптической анизотропии фрустрированных жидкокристаллических фаз: голубых фаз и смектика Q. Для голубых фаз и передпереходной области изотропной фазы проведены исследования температурных зависимостей азимута и эллиптичности света на выходе из образца и сделано вывод о том, что одним из механизмов появления оптической анизотропии в голубых фазах и в передпереходной области изотропной фазы может быть влияние поверхности. Измерения двупреломления ещё одной фрустрированной фазы, смектика Q в сочетании с данными рентгеноструктурного анализа позволили установить структуру этой фазы.

Оптическая характеризация дефектов представлена исследованиями искажений фокальных конических доменов (ФКД) в смектике А, изучением превращений дефектов при переходе из холестерика в TGBA фазу и текстурными исследованиями зародышей банано-фазы В7 при ее зарождении из изотропной фазы. Предложены модели структур дефектов.

Ключевые слова: оптическая анизотропия, оптическая характеризация, оптическая коноскопия, двулучепреломление, поглощение света и линейный дихроизм, жидкие кристаллы, деформации поля директора, дефекты в жидких кристаллах.

ABSTRACT

Nastishin Yu.А. Optical anisotropy of distorted and defective structures in liquid crystals. - Manuscript.

A dissertation for a scientific degree Doctor of Science in Physics and Mathematics on the speciality 01.04.05 - Optics, Laser Physics. Institute of Physical Optics, Ministry of Education and Science of Ukraine, Lviv, 2006.

Optical anisotropy of distorted and defective liquid crystals is considered in the dissertation. It is shown theoretically and experimentally that due to a high sensitivity of optical anisotropy to the presence of distortions and defects in the director field the optical conoscopy can be effectively applied to detect and characterize distortions of the director field in flat nematic cells; computer simulated and experimentally obtained conoscopic figures for distorted nematic cells are presented; so-called Conoscopic Magnetic Null Technique for the determination of the nematic pretilt angle and for the detection of hybridity in the director field is proposed.

Theoretical and experimental studies of optical phase retardation R as a function of voltage V applied to a planar cells well above the Frederiks transition result in a so called RV-technique for the determination of nematic polar anchoring coefficient W. Special attention is paid to the validity of the W values obtained using the high field techniques. It is shown that unphysical (voltage dependent and negative) W values obtained for some cells (a problem reported in the literature and documented by us) are caused by in-plane inhomogeneities of the cell substrates. A protocol that allows one to check if the cell can be used to measure W by the high field techniques is suggested.

Well aligned cells of lyotropic chromonematics: cromolyn, which is transparent and two light absorbing materials, Blue 27 and Violet 20 in the visible light wave length region are characterized for the first time. Temperature, concentration and wavelength dependencies of the birefringence and absorbing coefficients (for light absorbing materials) are presented; data for absorbing coefficients of Blue 27 have been used to determine the temperature behavior of the nematic scalar order parameter. The results of static and dynamic light scattering in the isotropic phase of the chromonematic indicate that the length of the chromonic aggregates increases approaching the phase transition to the nematic phase.

Studies of optical anisotropy for frustrated liquid crystal phases: blue phases and smectic Q are performed. For blue phases and pretransitional region of the isotropic phase the temperature behavior of the azimuth and ellipticity of the light waves exiting from the samples indicate the presence of optical anisotropy. It is concluded that the surface influence is one of the possible mechanisms of optical anisotropy. Measurements of the birefringence for another frustrated liquid crystal phase, smectic Q together with the X-ray results allows one to establish the structure of this phase.

Optical characterization of the defects is represented by the investigations of the imperfections in Focal Conic Domains (FCD) in the Smectic A phase, by the defects transformations at the transition from the cholesteric to the TGBA phase and by the textural analysis of the B7 banana phase at the nucleation of this phase from its isotropic melt; models for defects and their transformations are proposed.

Keywords: optical anisotropy, optical characterization, optical conoscopy, light birefringence, light absorption and linear dichroism, liquid crystals, director field distortions, defects in liquid crystals.

Размещено на Allbest.ru