Термотропные жидкие кристаллы, существующие в

Московский государственный университет
им. М.В. Ломоносова
Факультет фундаментальной физико-химической инженерии
(Физико-химический факультет)
Институт физики твёрдого тела РАН
Отчет по научно-производственной практике
Студента второго курса
Гордеева Станислава Олеговича
Руководитель практики
___________________
Черноголовка, 2013 г.
Оглавление
Введение. ............................................................................................................................ 3
Актуальность. .................................................................................................................. 3
Последовательность прохождения практики. ............................................................... 4
Характеристика предприятия. ........................................................................................... 6
Справка о компании. ....................................................................................................... 6
Научные задачи ИФТТ ................................................................................................... 6
Краткое описание процесса ............................................................................................... 8
Методы, используемые в работе. ................................................................................... 8
Результаты исследования. ............................................................................................ 11
Заключение ....................................................................................................................... 13
Список литературы. ......................................................................................................... 14
2
Введение.
Актуальность.
Жидкие кристаллы – это фазовое состояние, по своей упорядоченности
промежуточное между кристаллом и изотропной жидкостью. Жидкие кристаллы
представляют собой вязкие жидкости, состоящие из молекул вытянутой или
дискообразной формы [1]. Трансляционное упорядочение молекул в жидких
кристаллах частично или полностью отсутствует, однако молекулы упорядочены
ориентационно. Жидкие кристаллы обладают как свойствами жидкостей (текучесть),
так и кристаллов (анизотропия).
По своим общим свойствам жидкие кристаллы можно разделить на две
большие группы:
Лиотропные, представляющие собой двух- или более компонентные системы,
образующиеся в смесях стержневидных органических молекул и воды (или других
полярных растворителей). Эти стержневидные молекулы имеют на одном конце
полярную группу, а большая часть стержня представляет собой гибкую гидрофобную
углеводородную цепь. Такие жидкие кристаллы весьма многочисленны и играют
большую роль в жизненных процессах, входя в состав мышечных тканей, мозга,
нервов, мембран.
Термотропные жидкие кристаллы, существующие в определенном интервале
температур и давлений. Основная область их применения – информационная техника
(дисплеи часов, телевизоров, мониторов).
Термотропные жидкие кристаллы, в свою очередь, делятся на три больших класса:
Нематические жидкие кристаллы. Расположение центров масс их молекул не
обладает трансляционным упорядочением, но молекулы нематика расположены
приблизительно параллельно, и дальний порядок наблюдается только по отношению
к их ориентации.
Холестерические жидкие кристаллы - это те же нематические жидкие кристаллы с
тем различием, что они состоят из хиральных молекул. Как следствие этого, их
3
структура имеет винтовую ось симметрии, расположенную нормально к
предпочтительной ориентации молекул.
Смектические жидкие кристаллы - более упорядоченные, в дополнение к
ориентационному упорядочению молекул обладающие слоевым трансляционным
упорядочением.
Наиболее значительным свойством некоторых жидких кристаллов, в частности
нематических, является их способность изменять ориентацию молекул под
воздействием
электрического
нематического
жидкого
поля.
В
кристалла
данной
во
работе
внешнем
изучается
поведение
электрическом
поле
(электрогидродинамическая неустойчивость). Кроме того, большой интерес как с
точки зрения фундаментальных исследований, так и с точки зрения возможных
приложений представляют холестерики. Они имеют винтовую ось симметрии, и
периодичны вдоль этой оси, а период составляет 102-104 нм, т.е. гораздо больше
размера молекул. Величина шага спирали может находиться в диапазоне длин волн
видимого света, поэтому свет может испытывать дифракцию на периодической
структуре холестерика. Таким образом, основные свойства жидких кристаллов
связаны с их взаимодействием со светом, и в настоящей работе будут рассмотрены
методы изучения этих необычных соединений.
Цель работы.
Цель работы – освоить методику работы с микроскопом и спектрометром,
получить
микрофотографии
нематика,
находящегося
под
воздействием
электрического поля, измерить спектр пропускания холестерика и вычислить его
основные характеристики (шаг спирали, оптическая анизотропия, толщина образца,
центр дифракционной полосы).
Последовательность прохождения практики.
- Сделать серию снимков нематического жидкого кристалла МББА.
- Измерить спектр отражения холестерического жидкого кристалла 5Т.
4
- Построить теоретический спектр, соответствующий экспериментальному, варьируя
параметры (шаг спирали, центр полосы отражения, анизотропия).
5
Характеристика предприятия.
Справка о компании.
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики
твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) был образован 15 февраля 1963
г. Академией Наук СССР с целью обеспечить оптимальное сочетание и
взаимодействие фундаментальных исследований в области физики конденсированных
сред и физического материаловедения. Решающий вклад в формирование задач и
принципов организации ИФТТ сделали выдающийся ученый-металловед, академик
Георгий
Вячеславович
Курдюмов,
академик
Юрий
Андреевич
Осипьян
и
чл.корреспондент Чеслав Васильевич Копецкий.
В момент создания ИФТТ была угадана многообещающая перспектива нашей
области
науки,
сочетающей
высокий
уровень
показателей
активности,
востребованности новых результатов и неожиданность уже полученных. Дальнейшее
развитие подтвердило правильность исходных идей, заложенных в основание нашего
Института. В настоящее время ИФТТ представляет собой одно из крупнейших
академических учреждений физического профиля, является признанным научным
центром, успешно развивающим многообразные работы по широкому фронту научных
задач. За время существования в ИФТТ приобрели квалификацию и получили
возможность вести научные исследования более двух сотен научных сотрудников.
Было защищено около 60 докторских и около 300 кандидатских диссертаций. Из рядов
сотрудников ИФТТ выдвинулись три действительных члена Российской Академии
Наук (РАН) и пять членов-корреспондентов РАН.
Научные задачи ИФТТ являются сочетанием главнейших составляющих:
экспериментальные и теоретические направления физики твердого тела, как раздела
физики;
физическое материаловедение, как совокупность пересекающихся разделов
фундаментальный физики, физико-химии, механики;
Необходимая экспериментально-технологическая база обеспечивает проведение
фундаментальных и прикладных исследований. Для успешного решения научных
задач в Институте развита:
криогенная техника, работает станция ожижения гелия;
6
техника для исследования электронных и оптических свойств материалов при
температурах жидкого гелия (и ниже), и в сверхвысоких магнитных полях: EPR, NMR,
люминисценция, комбинационное рассеяние, транспортные измерения и т.д. (всего
около 200 работающих установок);
все необходимое для анализа кристаллических структур: современные
автоматические дифрактометры с приставками для низких-высоких температур,
электронные микроскопы сканирующие, просвечивающие, прямого разрешения,
туннельная и Оже-микроскопия;
специальная аппаратура высоких давлений до 500 кбар используется для
исследования структурных трансформаций и синтеза новых гидридов
интерметаллических соединений;
техника сверхвысоких магнитных полей и сверхнизких температур применяется в
экспериментах с макроквантовыми объектами;
выращиваются разнообразные кристаллы полупроводниковых соединений,
диэлектриков, тугоплавких металлов, монокристаллы высокотемпературных
сверхпроводников, имеется реальный опыт выращивания больших кристаллов
фуллерена - новой формы углерода, обеспечен необходимый уровень химических
методов анализа, очистки и синтеза;
обеспечены различные методы обработки материалов: пластическая деформация
прокаткой, прессованием, волочением, отжиг в защитной атмосфере молибдена,
ниобия, вольфрама в том числе монокристаллов и изделий из них;
обеспечены работы с композитными и нанокристаллическими материалами,
включая приготовление сплавов, механические испытания при заданных
температурах.
Опыт работы Института показал, что развитая и постоянно обновляемая
экспериментальная приборная база является достаточно эффективной в решении
задач, возникающих в современных условиях бурного развития физического
материаловедения и его прикладных разделов, связанных с высокой технологией.
7
Краткое описание процесса
Методы, используемые в работе.
На рис. 1 проиллюстрировано как на образец МББА (О) посредством генератора
(Г) и усилителя (У) подается напряжение, которое измеряется вольтметром (В). Свет
от лампы (Л) проходит через поляризатор (П) и освещает образец. На экран
компьютера (Э) подается изображение посредством камеры (К), установленной на
окуляре микроскопа (М). В результате мы можем наблюдать процессы, происходящие
с ячейкой в режиме реального времени на экране с увеличением микроскопа. В
эксперименте использовался сигнал синусоидальной формы с частотой 120 Гц.
Рисунок 1- установка (1) для наблюдения явления неустойчивости в жидком кристалле с помощью оптического
микроскопа. К – камера; Э – экран; Г – генератор; У – усилитель; В – вольтметр; М – микроскоп; О – образец; П –
поляризатор ; Л – лампа
Ячейка с исследуемым образцом холестерического жидкого кристалла
освещалась белым светом в направлении перпендикулярном плоскости ячейки.
Измерения производились с использованием микроскопа Olympus BX51 и
спектрометра Avaspec-2048.
8
На рис. 2 показано как с образца холестерического жидкого кристалла (О) с
использованием спектрометра (С) измерялся спектр отражения при комнатной
температуре Спектры отображались на экране компьютера (Э) и записывались в его
память.
Рис. 2- установка для измерения спектров в жидком кристалле с помощью оптического микроскопа. Т – термостат;
экран компьютера; М – микроскоп; О – образец; С – спектрометр ; Л – лампа
На рис. 3
изображена ячейка
Э–
с нематическим жидким кристаллом,
использовавшаяся в процессе работы. Ячейка представляет собой два параллельных
стекла, на поверхность которых нанесены полупрозрачные электроды и полимерный
ориентант.
Между
стеклами
заключен
нематический
жидкий
кристалл
метоксибензолиден-n-бутиланилин. Граничные условия – планарные (молекулы
ориентированы своими длинными осями параллельно опорным стеклам)
9
Рис. 3 – схематическое устройство ячейки, использовавшейся в эксперименте.
На рис. 4 изображена ячейка с холестерическим жидким кристаллом,
использовавшаяся в процессе работы. Ячейка представляет собой два параллельных
стекла, на поверхность которых нанесен проводящий слой и полимерный ориентант.
Между стеклами находится холестерик. Граничные условия – планарные.
Рис. 4 – схематическое устройство ячейки, использовавшейся в эксперименте.
10
Результаты исследования.
На рисунке 5 изображена фотография образца МББА, полученная с
помощью установки 1. На ячейку подается электрическое поле 9,7 Вольт, после чего
производится съемка образца. Во время съемки молекулы находились в постоянном
движении, это связано с эффектом электрогидродинамической неустойчивости.
(Вследствие приложении поля возникает момент, стремящийся повернуть молекулы в
направлении возникающей флуктуации деформации)
Рис. 5 – образец нематического жидкого кристалла МББА при электрическом поле 9,7 В.
Далее речь пойдет о холестерическом жидком кристалле, величина шага спирали
которого находится в диапазоне длин волн видимого света, поэтому свет может
испытывать дифракцию на периодической структуре холестерика. Причем условия
дифракции аналогичны хорошо известным условиям дифракции рентгеновских лучей
в кристаллах и описываются соотношением Брегга-Вульфа 2𝑑𝑛𝑠𝑖𝑛𝜃 = 𝜆. В случае
освещения
холестерика
белым
светом,
при
фиксированном
угле
падения
дифракционное отражение испытывает свет определенной длины волны, в частности
для угла 𝜃 = 𝜋/2 отраженный свет распространяется противоположно падающему.
На рисунке 6 сплошной кривой показан спектр отражения холестерического
жидкого кристалла, образец 5Т. При подходе к области отражения интенсивность
отраженного света резко растет, а по другую сторону области отражения симметрично падает. Кроме того, наблюдаются осцилляции отражения, связанные с
интерференцией многократно отраженной волны в образце конечных размеров.
11
R (relative units)
600
400
200
0
16000
17000
18000
19000
-1
ν, cm
Рисунок 6 - Экспериментальный спектр отражения холестерического фотонного кристалла (сплошная кривая) и
теоретический спектр (пунктирная кривая). Спектр рассчитан по формуле (1) при значениях параметров 𝛿 = 0.06 𝜈0 =
17452 см−1 𝑛 = 1.574. Толщина образца 5.8 мкм.
Спектральная зависимость интенсивности отраженного от образца света выражается
формулой [3]
𝑅=
где 𝜅 =
𝜔𝑛
𝑐
𝛿 2 𝑠𝑖𝑛2 (𝛽𝐿)
,
𝛽
4( ⁄𝜅)2 +𝛿 2 𝑠𝑖𝑛2 (𝛽𝐿)
(1)
1
2𝑛𝜔0
(𝜏
, 𝛽 = 𝜅√1 + (𝜏⁄2𝜅)2 − [ ⁄𝜅)2 + 𝛿 2 ] ⁄2 , 𝜏 =
, 𝛿=
𝑐
(𝑛12 −𝑛22 )
(𝑛12 +𝑛22 )
, 𝑛1 и 𝑛2 –
показатели преломления параллельно и перпендикулярно направлению локального
директора,
𝑛2 =
𝑛12 +𝑛22
2
,
𝜔0
–
центр
полосы
отражения.
Сопоставление
экспериментальных спектров с теорией проводилось с использованием уравнения (1)
с подгоночными параметрами 𝛿, 𝜔0 ,n. Как видно из рис. 3, расчетный спектр хорошо
согласуется с экспериментальным как в области дифракционной полосы, так и в
области осцилляций.
12
Заключение
Мною была освоена методика работы с микроскопом и спектрометром, получена
микрофотография нематика, находящегося под воздействием электрического
поля, измерен спектр отражения холестерика и вычислены его основные
характеристики (шаг спирали, оптическая анизотропия, центр дифракционной
полосы).
1) Снята микрофотография нематического жидкого кристалла МББА.
2) Измерен спектр отражения холестерического жидкого кристалла 5Т.
3) Построен
теоретический
спектр,
экспериментальным.
13
хорошо
согласующийся
с
Список литературы.
1. П.-Ж. де Жен, Физика жидких кристаллов, перевод с англ., издательство
«Мир», Москва, 1977 г.
2. В.А. Беляков, Жидкие кристаллы, издательство «Знание», Москва 1986 г.
3. В.А. Беляков, В.Е. Дмитриенко, В.П. Орлов, УФН 127, 221 (1979).
4. P.M. Chaikin, T.C. Lubensky, Principles of Condensed Matter Physics,
Cambridge University Press. 1995 г.
14
15