лабораторный_практикум_по_жк

6.Сравнить наблюдаемые текстуры с микрофотографиями. Определить тип текстуры.

7.Наблюдения продолжать до появления изотропной фазы (в цикле нагревания) и до кристаллизации в твердую фазу (в цикле охлаждения).

8.Составить схемы фазовых переходов в обоих циклах

a

Рис. 2. Образование нематических ЖК:

a) анизотропные зародыши N в изотропном расплаве. Слева видны сливающиеся капли нематического кристалла; б) окончательное слияние капель нематика.

11

Рис. 3. Текстура нематика

1.Изотропный расплав;

2.Граница фаз I – N;

3.Гомеотропная текстура (оптическая ось рисунку и совпадается с пучком поляризованного света – псевдоизотропия);

4.Гомеотропная текстура. Видны отдельные домены (аналог монокристалла);

5.Смектический ЖК.

Рис. 4. Мраморная (а) и шлирен (б) (нитчатая) текстура нематического ЖК

12

a

б

Рис. 5. Образование смектического ЖК: a) зародыши Sm;

б) сформировавшаяся конфокальная текстура смектика

13

Рис. 6. Текстуры смектиков:

а) конфокальная (краевая) текстура, б) полигональная,

в) мозаичная (николи х)

г) гомеотропная текстурa Sm–( псевдоизотропия неполная, видны участки конфокальной текстуры)

д) шлирен (нитчатая) текстура Sm

.

14

в

Рис. 7. Явление параморфоза у смектических ЖК:

а) веерная (простая) текстура (SmA модификация); б) веерная (нарушенная) текстура (SmC модификация); в) мозаичная текстура (SmB модификация).

15

в

Рис. 8. Текстуры холестериков

а) конфокальная, переходящая в плоскостную (видны цепочки доменов – « маслянистые бороздки»);

б) гомеотропная (фиолетовое поле, белесые штрихи – струи Ch, сжимаемого растущими сферолитами – твёрдыми кристаллами);

в) из изотропного расплава появляется холестерический ЖК, а внутри него зарождаются домены смектического ЖК (сверху вниз – понижение температуры около 10o C)

16

Рис. 9. Экспериментальная установка:

1 – поляризационный микроскоп;

6 – осветитель; 7 – нагревательная ячейка; 8 – нагреватель; 9 – вольтметр переменного тока;

10 – термопара; 11 – милливольтметр;

12 – сосуд Дьюара с тающим льдом;

13 – регулятор напряжения

Задания

1.Опишите основные фазовые состояния.

2.Нарисуйте несколько схем фазовых переходов.

3.Определите по фотографиям фазовое состояние вещества.

4.Опишите процесс перехода I→N→Sm→Cr с точки зрения текстурных изменений.

17

Лабораторная работа № 2

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ НЕМАТИЧЕСКИХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ

Для понимания свойств жидких кристаллов необходимо знать проводимость мезофазы. По характеру молекул жидкие кристаллы можно отнести к органическим жидкостям. Поэтому их электропроводность рассматривают как электропроводность органических жидкостей со специфическим ориентационным порядком. Хорошо очищенные органические жидкости (бензол, ацетон, углеводороды) являются диэлектриками. Это означает, что в них практически нет свободных носителей заряда. Сопротивление этих веществ велико. Например, сопротивление у сверхчистых предельных углеводородов достигает порядка 1021 – 1022ом×м. Удельное сопротивление очень чистых жидких кристаллов порядка 1012 – 10 14ом×м. Если соотнести величину заряда каждого носителя с зарядом электрона е, то будем иметь Z×e. С учетом подвижности зарядов m и концентрации свободных носителей заряда n получим следующее уравнение для удельной электропроводности:

Собственная проводимость жидких диэлектриков связана с двумя процессами. Электронная проводимость осуществляется путем перескока электронов от одной молекулы к другой с небольшой задержкой у каждой молекулы (ловушечный механизм). Проводимость определяется также столкновениями возбужденных молекул, которые создают при этом пару ионов. В гораздо большей степени электропроводность определяется внешними факторами. К ним относятся: инжекция электронов из катода под действием сильного электрического поля; электрохимические реакции на электродах, создающие ионизированные молекулы; диссоциация молекул под действием сильного электрического поля, радиоактивного фона и т. п. Наиболее важную роль играет диссоциация примесных молекул в растворе – электролите. Как нематическая, так и изотропная фаза нематогенных веществ представляют собой слабые электролиты, т. е. растворители с малой диэлектриче-

18

ской проницаемостью ε (обычно ε5). В соответствии с теорией электролитической диссоциации электропроводность слабых электролитов прямопропорциональна корню из концентрации примеси:

Такого рода зависимость была получена для ряда нематиков, в том числе и ПАА (п – азоксианизола) с ионными примесями. Подтверждением ионной природы носителей заряда в нематиках служит закон Вальдена:

μ·η = const.

Здесь μ – подвижность ионов, η – вязкость жидкости. Характерной особенностью электропроводности жидких кристаллов

является анизотропия

Δσ = σ|| – σ ,

где σ|| – проводимость в направлении продольной оси молекулы вещества; σ – проводимость в направлении поперечной оси молекулы вещества. Почти для всех нематических жидких кристаллов анизотропия электропроводности положительная, то есть σ|| – σ > 0. Для МББА и ПАА, согласно литературным данным, σ||/σ ≈ 1,5. От величины анизотропии электропроводности зависит порог возникновения электрогидродинамической неустойчивости. В соответствии с формулой (1) анизотропия электропроводности при отсутствии термической генерации носителей и отсутствии инжекции с электродов полностью определяется анизотропией подвижности носителей заряда:

Знание электропроводности вещества в конкретной температурной точке не дает какой-либо информации о данном веществе. Гораздо более интересно знать температурную зависимость электропроводности, которая в простейшем случае описывается формулой:

Больцмана,Т – абсолютная температура. Величина W включает в себя как энергию активации подвижности, так и энергию активации рождения носителей заряда. Ее можно интерпретировать

19

как величину энергетического барьера, который должен преодолеть носитель заряда для своего перемещения внутри вещества. Чем больше W, тем труднее перемещается носитель заряда в кристалле, тем меньше σ. В связи с тем, что существуют различные механизмы электропроводности (зонный, перескоковый и ионный) функция σ(Т) имеет сложный вид. Поэтому результаты измерений лучше представить в виде графической зависимости

lnσ = f(T–1 ),

так как на определенных интервалах температур часто преобладает один из типов электропроводности и внутри этих интервалов

Тангенс угла наклона, исходя из формулы, равен W/k, таким образом, энергия активации может быть легко найдена. Вблизи фазовых переходов наблюдаются аномальные изменения σ в виде пиков и перегибов, объясняемыми изменениями в структуре образца при данной температуре. Остановимся подробнее на вязкости жидкости, поскольку она играет решающую роль в ионной проводимости нематических кристаллов. Вязкость η определяет подвижность μ и влияет на процессы диффузии и рекомбинации. Вязкость типичных нематиков 1 сантипуаза. Простейшая формула, описывающая вязкость, имеет следующий вид:

сти. Предположим, что молекула находится в некоторой потенциальной яме. Она отделена от другой молекулы или от другой потенциальной ямы (вакансии) энергетическим барьером. Чем выше барьер, тем труднее молекуле совершить перескок в новое состояние, тем больше энергии нужно на это затратить. Вероятность перехода равна exp(– W/kT). Здесь W – энергия, которую надо сообщить молекуле для перескока. Если вероятность перехода молекул в другое положение будет больше, то и текучесть жидкости (η–1 ), обусловленная движением молекул, будет больше. Следовательно,