Электрогидродинамические эффекты в нематических жидких кристаллах Нематические ЖК—одноосные жидкие кристаллы, имеющие дальний ориентационный порядок. Длинные оси молекул расположены вдоль директора, а центры тяжести расположены хаотично. Электрогидродинамика—раздел физики, возникший на пересечении гидродинамики и электростатики. Предмет ее изучения: процессы движения слабопроводящих жидкостей, в том числе жидких кристаллов. Многие ЭГД эффекты имеют неожиданный вид вследствие нелинейности уравнений, которые описывают данные эффекты. При наложении электрического поля возникают деформации молекул жидкого кристалла. Из-за деформации возникают потоки жидкости. Одно из следствий таких течений— электрогидродинамическая неустойчивость. Для объяснения эффекта ГДН рассмотрим две силы, действующие на объем жидкости: силу тяжести и силу Архимеда. Эта ситуация стабильна и нестабильность возникает, если нижние слои пытаться нагреть. Тогда теплые придонные слои стремятся подняться вверх, а верхние слои—опуститься. Наблюдается периодически стационарная картина в плоскости XY, связанная с восходящими и нисходящими потоками жидкости. Данное явление называется конвективной гидродинамической неустойчивостью. Рассмотрим теперь конденсатор, заполненный диэлектрической жидкостью, к которому приложено электрическое поле вдоль нормали к обкладкам конденсатора. Пусть нижний электрод инжектирует в жидкость положительные заряды. Тогда внизу образуется облако объемного заряда и под действием электрического поля заряженные области будут выталкиваться наверх. Он так же не поднимается единым блоком, а разобьется на отдельные вихри (рулоны) в плоскости XY. В данном случае явление называется конвективной электродинамической неустойчивость. Анизотропия жидких кристаллов привносит новые особенности в эти явления. Анизотропия ЖК ответственна за переход Фредерикса в нематиках, а анизотропия электропроводности—за возникновение ЭГД неустойчивости. Эти неустойчивости имеют пороговый характер и не наблюдаются в изотропных жидкостях. Теперь предположим, что конденсатор заполнен нематической смесью с диэлектрической анизотропией примерно равной 0 и электрод инжектирует в жидкость положительные заряды. Пусть в отсутствии поля директор направлен вдоль оси Х, а возникающая в постоянном поле картина потоков жидкости взаимодействие с полем директора. Максимальная скорость жидкости будет так, где концентрируется пространственный заряд. Максимальное отклонение угла директора от оси Х будет наблюдаться там, где максимален градиент скорости жидкости, т.е. в центрах рулонов. Такой механизм отклонения наблюдается особенно сильно, если нематик имеет большую положительную анизотропию электропроводности. Тогда гидродинамический момент силы, обусловленный сдвиговым течением жидкого кристалла и связанный с анизотропией, может превышать момент электрического поля, связанного с диэлектрической анизотропией, если она не слишком велика. Именно момент силы был использован для ориентации директора в нематической фазе. Одна из моделей неустойчивости—модель Карра-Хелфриха. Условия наблюдения: переменный ток с частотой не больше обратного времени диэлектрической релаксации (релаксация—процесс установления термодинамического равновесия), электрическая постоянная меньше 0. Директор направлен вдоль оси X, синусоидальное напряжение приложено к электродам, перпендикулярным ости Z. Наблюдается картина вихревого движения жидкости в форме длинных рулонов. При подсветке они ведут себя как система линз и образуют дифракционную картину с фокусировкой света на экране. Неустойчивость возникает в ячейках с толщиной порядка 10 микрометров. Стоит заметить, что электрогидродинамические домены наблюдались и при возбуждении неустойчивости ультразвуком. Физический механизм явления базируется на системе уравнений, предложенной Хелфрихом. Эта система в итоге дает следующее решение: Пороговое напряжение зависит от анизотропии, находящейся в знаменателе. При определенной температуре она равна 0 и тогда при этой температуре неустойчивость не возникает (результаты опытов). Пороговое напряжение так же зависит от отношения вязкостей 𝜂 𝛼2 , которые довольно близки по величине. Поэтому неустойчивость наблюдается даже в очень вязких нематиках. Слабая чувствительность порогового напряжения к вязкости мала из-за того, что в вязкой среде скорость вихрей мала, а также из-за того, что это компенсируется сильной связью потока жидкости с директором. При напряжении выше порогового возникает картина рулонов. При дальнейшем повышении напряжения картина изменяется: усложняются гидродинамические структуры. Если скорость движения быстро возрастает, то пространственно-конвективное течение переходит в турбулентное, это приводит к неоднородности поля директора, что сопровождается динамическим рассеянием света.
