лабораторный_практикум_по_жк

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВПО « Ивановский государственный университет»

Кафедра экспериментальной и технической физики

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ

Методические указания к лабораторному практикуму

для студентов физического факультета специализации «Физическое материаловедение» Работы 1–6

Иваново Издательство « Ивановский государственный университет»

2012

Составитель: кандидат химических наук Н. В. Каледенкова

Содержит описание шести лабораторных работ по курсу «Физика жидких кристаллов» для студентов специализации «Физическое материаловедение». В процессе выполнения работ студенты осваивают методы исследования жидких кристаллов. На основе поляризационной микроскопии учатся идентифицировать жидкие кристаллы. Методом канавчатого спектра производят расчет некоторых оптических характеристик. Изучают электрооптические эффекты в жидких кристаллах (переход Фредерикса, электрогидродинамическая неустойчивость, эффект динамического рассеяния света), которые находят широкое применение в технике.

Печатается по решению методической комиссии физического факультета

Ивановского государственного университета.

Рецензент:

доктор химических наук Г. В. Гиричев (Ивановский государственный химико-технологический университет)

© Каледенкова Н. В., составление, 2012

© ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный университет», 2012

2

Лабораторная работа № 1

ИЗУЧЕНИЕ ТЕКСТУР И ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДОВ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ

Жидкий кристалл (ЖК) – состояние, присущее некоторым из органических соединений1, имеющих уплощенные или вытянутые пaлочкообразные молекулы. Состояние это промежуточное между (обычным) жидким и кристаллическим (твердым). Вот почему ЖК иногда называют мезофазой (междуфазное состояние). Жидкокристаллическому состоянию соответствует определенный температурный интервал на диаграмме состояния вещества. При высоких температурах этот интервал ограничен фазовым переходом LC – I ( ЖК – изотропная жидкость), при низких – переходом LC – Сr (ЖК– твердый кристалл).

Являясь состоянием промежуточным, жидкий кристалл обнаруживает свойства как принадлежащее жидкости (большая текучесть, способность находиться в каплевидном состоянии, слияние капель при соприкосновении), так и присущее кристаллам (анизотропия, в частности – двулучепреломление). Это является естественным следствием того, что молекулярная упорядоченность жидкокристаллического состояния – промежуточная между упорядоченностью молекул в кристаллах и в аморфных веществах и жидкостях.

Жидкие кристаллы подобно твердым кристаллам обладают свойством полиморфизма. Различают три основных типа жидких кристаллов (рис.1):

1) нематический (нематик – N) – характерен тем, что длинные оси молекул вещества выстраиваются вдоль определенного направления, в то время как центры тяжести молекул распределены хаотически;

1 Имеется в виду термотропный жидкий кристалл, который получается путем нагревания твердого вещества. Однако этот способ получения ЖК не единственный. Жидкие кристаллы образуются и при растворении твердых кристаллов некоторых веществ (органических и неорганических) в определенных растворителях. Такие ЖК называют лиотропными, их мы здесь не рассматриваем.

3

2)смектический (смектик – Sm) – в отличие от N, центры тяжести молекул расположены слоями. Длинные оси молекул либо совпадают с нормалью, либо направлены под некоторым углом к нормали слоя;

3)холестерический (холестерик – Ch) – аналогичен N , но в отличие от него, структура ЖК закручена около направления, перпендикулярного длинным осям молекул.

К настоящему времени известно свыше 10 модификаций смектических ЖК.

Наиболее изучены первые три. Все смектические модификации имеют слоистую структуру и отличаются лишь расположением молекул внутри слоя. Например, в SmA модификации молекулы располагаются в слое так, что их длинные оси перпендикулярны слою, а в SmC – наклонены под определенным углом.

В обоих случаях молекулы в слое расположены хаотически относительно друг к другу. В SmB модификации молекулы в слое более упорядочены и образуют гексагональную упаковку.

Обычно различают два типа полиморфизма. Когда каждая из двух полиморфных фаз термодинамически устойчива в определенном интервале температур и давлений, это говорит, что эти фазы энантиотропны. Фазы появляются и при нагревании (→) и

при охлаждении (←). Схематически это можно изобразить так:

.

Здесь Тпл. – температура плавления кристалла, Тпр. – температура перехода мутного жидкого кристалла в прозрачный изотропный расплав, точка просветления. Возможна и такая схема:

или

4

.

Если у вещества имеются несколько жидкокристаллических состояний, то смектическое состояние обычно бывает более низкотемпературным, более близким к кристаллической фазе.

Когда мезофаза появляется только при охлаждении вещества, она носит название монотропной. Схематически это может быть представлено так:

где Ткр. – точка кристаллизации.

Если вещество имеет более одной твердой или жидкокристаллической модификации одного типа, то их обозначают индексами 1, 11, 111 в порядке понижения температуры. Например, так:

.

В данном случае вещество имеет энантиотропные смектические и нематический ЖК. При охлаждении Sm1 появляется вторая монотропная модификация – S m11, которая при дальнейшем охлаждении может переходить в устойчивую Cr1 или неустойчивую Сr11 формы твердого кристалла.

5

Микроскопические исследования жидких кристаллов

Важной частью исследования свойств жидкокристаллического состояния является изучение его микроструктуры, т. е. оптической картины, наблюдаемой в поляризационном микроскопе в тонком слое ЖК, заключенном между двумя стеклами (иногда наблюдение ведут и без покровного стекла).

Визуальная картина – текстура образца – позволяет судить о молекулярной структуре данной фазы и ее принадлежности к тому или иному типу ЖК, той или иной его модификации, определить температуры фазовых переходов, строить диаграммы состояний. Надо иметь в виду, что картина микроструктуры модификации ЖК зависит от условий опыта: скорости нагрева или охлаждения, толщины слоя, действия на ЖК поверхности стекол и др. При одинаковых условиях вид микроструктуры различных веществ позволяет отнести их к тому или иному типу ЖК.

1. Нематические жидкие кристаллы

При охлаждении веществ, обладающих нематическим жидкокристаллическим состоянием и находящихся в изотропной фазе, до температуры фазового перехода I – LC образуются крупные оптически анизотропные капли N расплава (рис. 2а).

Капли эти при дальнейшем охлаждении препарата растут и сливаются. Отчетливо видны (особенно в естественном свете) темные нити, являющиеся местами разрыва оптической однородности среды, где ориентация удлиненных молекул резко изменяется (рис. 2б).

В известной степени препарат N аналогичен поликристаллу, так как состоит из отдельных областей с более или менее однородной ориентацией. Это видно по тому, как по-разному погасают эти области (или домены) при вращении столика микроскопа между скрещенными поляроидами.

Применяя особые приемы обработки стекол, можно добиться образования монокристальных нематических слоев. При наблюдениях следует учесть, что при скрещенных поляроидах (николях) нормально стеклам ориентированный слой N всегда погашен и его легко спутать с изотропной жидкостью (псевдо-

6

изотропия). При легком нажатии на покровное стекло монокристалл N просветляется, вспыхивая. Этого не бывает в случае изотропного расплава (рис. 3).

На темном фоне расплава N (особенно вблизи точки перехода в I ) можно видеть множество светлых мерцающих точек. Это отдельные микроскопические области ориентированного слоя вследствие тепловых флуктуаций изменяют направление своей оптической оси, попеременно просветляясь и погасая.

Нематические ЖК могут дать два (предельных) варианта микроструктуры: мраморную (рис. 4а) и шлирен (нитчатую) (рис. 4б), для которой характерно постоянное движение поля зрения микроскопа. Между этими вариантами возможны многие переходные типы.

2. Смектические жидкие кристаллы

При охлаждении изотропного расплава вещества, имеющего смектическое жидкокристаллическое состояние, ниже точки перехода I – Sm из расплава начинают выпадать зародыши смектической фазы в форме палочек (рис. 5а). Такая форма зародышей может быть объяснена разностью скорости их роста в осевом и радиальном направлениях.

Сливаясь между собой, смектические палочки образуют конфокальную текстуру – доменную микроструктуру с некоторой преимущественной ориентацией доменов (рис. 5б). Различная степень связи молекул со стенками в разных участках приводит к закручиванию смектических слоев, к образованию отдельных конфокальных доменов сложной геометрической формы, которые либо прерываются на стенках, либо касаются друг друга без взаимного проникновения. Строение конфокальных доменов и обусловливает оптическую картину, наблюдаемую в поле зрения микроскопа. Изменение характера структуры доменов при переходе от одной смектической модификации к другой заметно изменяет общую картину микроструктуры жидкого кристалла при температуре перехода.

Разновидностями конфокальной структуры являются веерная (рис. 7а, б) и полигональная (рис. 6б). В случае полигональной текстуры отдельные молекулярные смектические слои могут

7

принадлежать сразу нескольким конфокальным доменам, переходя из одного в другой. У некоторых смектических ЖК обнаружена мозаичная текстура (рис. 6в, 7в), весьма напоминающая микроструктуру твердого поликристаллического образца. Однако, в отличие от последней, границы доменов «текут» при нажатии на покровное стекло. Здесь мы имеем дело с текучим жидким «поликристаллом». Смектическая фаза в препарате образует большие однородно ориентированные (или гомогенные) участки, каждый из них ведет себя как смектический монокристалл. Неодинаково ориентированные участки Sm в поляризованном свете имеют разную окраску (плеохроизм), меняющуюся с изменением температуры.

У Sm возможно явление псевдоизотропии (аналогично N), чаще обнаруживаемое у SmA модификации. Явление псевдоизотропии в сильной степени зависит от качества поверхности стекол, их специальной обработки и может появляться произвольно (рис. 6г). С влиянием стенок на жидкий кристалл связано и другое характерное явление – параморфоз, заключающееся в том, что при переходе к новой модификации сохраняется (или почти сохраняется) микроструктура предыдущей. Это явление хорошо иллюстрируется рис. 7. Особенно сильно явление параморфоза маскирует переходы между различными фазами при нагревании. Поэтому удобнее вести наблюдение фазовых переходов при охлаждении препарата из изотропно-жидкого расплава.

У смектического ЖК C типа возможно появление шлирен (нитчатой) текстуры, аналогично встречающейся у нематических ЖК. Вид такой текстуры приводится на рис. 6д. Поскольку на вид микроструктуры жидких кристаллов в сильной степени влияют внешние условия, в особенности стенки ячейки, кинетика фазовых переходов, оказывается весьма затруднительным однозначно связать ту или иную текстуру с тем или иным типом Sm. На рис. 6 приводится далеко не окончательная схема текстурных групп Sm (для наиболее изученных SmA, SmB, SmC-модификаций).

Одним из новых типов упорядочения являются дискообразные жидкие кристаллы, или дискотики. Их молекулы имеют симметричную разветвленную форму, которую можно аппросксимировать плоским диском. Упорядочение молекул в дискоти-

8

ках слоистое, похожее на смектическое. Молекулы лежат в плоскости слоев, образуя плотную гексагональную упаковку. Для дискотиков в некоторых случаях характерны такие же текстуры, как и для смектиков. В частности, типична веерная текстура. У отдельных дискотиков найдена конфокальная текстура с большими конфокальными доменами. Интересна также оригинальная текстура, представляющая собой концентрические кольца с «отпечатками пальцев».

3. Холестерические жидкие кристаллы

Тонкий слой холестерического жидкого кристалла образует конфокальную структуру (рис. 8). Сходство здесь, однако, с Sm неполное. В то время как конфокальные домены Sm всегда оптически положительные, конфокальные домены Ch имеют отрицательный оптический знак. Обычно домены холестерика малы и хаотично ориентированы.

Для некоторых веществ с холестерическими жидкокристаллическими состояниями характерно явление «гомеотропии»; при охлаждении изотропного расплава Ch появляется в виде мельчайших капелек, строение которых не удается различить и при сильном увеличении. Получается при этом псевдоизотропная текстура, которая при дальнейшем охлаждении или легком сдвиге покровного стекла может перестроиться в обычную холестерическую конфокальную текстуру. При не полностью скрещенных николях гомеотропная текстура наблюдается в виде полупрозрачного голубоватофиолетового тумана («голубая фаза»). Своеобразным свойством конфокальной текстуры холестерика является ее перестройка в плоскую или планарную (гранжанову) текстуру, которая достигается сдвигом покровного стекла или может быть вызвана течением жидкого кристалла, возникающим при росте твердых кристаллов. Разрушение конфокальной текстуры сопровождается возникновением гомогенного (однородно ориентированного, монокристального) жидкокристаллического слоя, оптическая ось которого перпендикулярна поверхности препарата. (Иногда на фоне такого слоя видна сетка соединенных между собой цилиндрических трубок, называемых «маслянистыми бороздками», образованными цепочкой мелких конфокальных доменов.

9

Плоскостная текстура при освещении белым светом отражает очень яркие цвета (явление селективного отражения). Длина волны отраженного света зависит от угла, под которым падает белый свет и от угла наблюдения. Кроме того, на длину волны селективного отражения влияют температура, механические и химические воздействия. Это явление, присущее Ch, нашло широкое применение в науке и технике.

Рис. 1. Схемы структуры различных типов жидких кристаллов

а) N; б) Ch; в) SmA; г) SmС

Стрелками показано преимущественное направление структуры, с которыми совпадает оптическая ось ЖК.

Выполнение работы (рис. 9):

1.Установить поляроиды в скрещенное положение.

2.Установить ячейку с веществом на столике микроскопа. Закрепить датчик температуры.

3.Сфокусировать объектив микроскопа на текстуре образца.

4.Напряжение на спирали нагревателя поддерживать не более 30В в цикле нагревания. В цикле охлаждения источник тока отключается от спирали нагревателя.

5.Изменение текстуры наблюдается визуально. Точки переходов и вид текстуры зарисовать в тетради.

10