Пороговый характер электрооптического отклика пленки капсулированного полимером нематического жидкого кристалла
реклама
Пороговый характер электрооптического отклика пленки капсулированного полимером нематического жидкого кристалла при управлении ионно-сурфактантным методом В.С. Сутормин1, М.Н. Крахалев1, В.Я. Зырянов1,2 Институт физики им. Л.В. Киренского, Красноярский научный центр, СО РАН 660036, Красноярск, Академгородок, 50-38 2 Сибирский государственный аэрокосмический университет им. М.Ф. Решетнева, 660014 Красноярск, пр. Красноярский рабочий, 31 E-mail: [email protected] , тел.: (391)2494510 1 АННОТАЦИЯ Исследована зависимость ориентационной структуры капель нематика, диспергированного в полимерную матрицу, и электрооптического отклика композитной жидкокристаллической пленки от величины приложенного постоянного электрического поля при управлении ионно-сурфактантным методом. Показан пороговый характер эффекта электроуправляемой ионной модификации поверхностного сцепления. Ключевые слова: полимер, жидкий кристалл, нематик, композит, ионный сурфактант, электрооптика. I. ВВЕДЕНИЕ Оптические свойства жидкокристаллического материала зависят от конфигурации поля директора жидкого кристалла (ЖК) в объеме ячейки, которая определяется его ориентацией на границе раздела с подложкой. Используя специальные ориентанты можно изменять условия поверхностного сцепления ЖК, что приводит к трансформации структуры ЖК в объеме ячейки. Этот эффект был назван локальным переходом Фредерикса [1]. В работе [2] был предложен и на примере капсулированных полимером нематиков реализован новый метод управления ориентацией ЖК, основанный на электроиндуцированной модификации поверхностного сцепления ионными сурфактантами. В основе метода лежит концентрационная зависимость ориентирующей способности сурфактанта [3, 4]. Под действием постоянного электрического поля происходит локальное увеличение концентрации ионного сурфактанта вблизи соответствующего электрода и, как следствие, изменение граничных условий от тангенциальных (длинные оси молекул сориентированы параллельно границе раздела) к гомеотропным (длинные оси молекул сориентированы перпендикулярно межфазной границе). Добавление большего количества сурфактанта позволяет реализовать эффект, работающий в инверсном режиме [5]. В этом случае происходит локальное изменение граничных условий от гомеотропных к тангенциальным вследствие электроиндуцированного уменьшения концентрации ионного сурфактанта на участке капли, расположенного вблизи соответствующего электрода. В данной статье представлены результаты исследования зависимостей трансформации ориентационной структуры капли нематика и макроскопического оптического отклика пленки капсулированного полимером жидкого кристалла (КПЖК пленки), управляемой ионно-сурфактантным методом, работающим в инверсном режиме, от величины приложенного электрического поля. II. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Исследовались КПЖК пленки на основе поливинилового спирта (ПВС), пластифицированного глицерином в концентрации 27% (по весу), и нематического ЖК 4-н-пентил-4-цианобифенил (5ЦБ), допированного ионообразующим сурфактантом цетилтриметиламмоний бромистым (ЦТАБ) [6]. Образцы приготавливались методом эмульгирования ЖК в водном растворе полимера с последующим испарением растворителя [7]. Исследовались два типа пленок с различной концентрацией ЦТАБ и ЖК. Для исследований структурных трансформаций в каплях нематика весовое соотношение компонент 5ЦБ : ПВС : ЦТАБ равнялось 1 : 19 : 0,1, а условия приготовления пленок брались такими, что капли со средним размером 7 – 11 мкм располагались не перекрывая друг от друга. Наблюдения проводились методами поляризационной микроскопии с использованием поляризационного микроскопа Axio Imager (Carl Zeiss) в геометрии скрещенных поляризаторов и с выключенным анализатором. Исследования макроскопического электрооптического отклика КПЖК пленки проводились на образцах с весовым соотношением компонент 5ЦБ : ПВС : ЦТАБ равным 1 : 9,3 : 0,02 и средним размером капель 2 – 3 мкм. Геометрия электрооптической ячейки бралась такой, что приложенное электрическое поле было направленно в плоскости композитной пленки. На электроды, расстояние между которыми составляло 1 мм, подавались прямоугольные импульсы с варьируемой амплитудой и длительностью. Для исследования электрооптических характеристик КПЖК пленки применялся полупроводниковый лазер Mitsubishi ML 101J21-01 с длиной волны λ = 658 нм, излучение которого проходило последовательно через поляризатор, образец, диафрагму и попадало на фотоприемник. Диаметр поперечного сечения лазерного луча составлял 0,8 мм. Рассеянное излучение задерживалось диафрагмой, что позволяло регистрировать только прямо проходящий свет. Ячейка с образцом располагалась так, чтобы электрическое поле было направлено перпендикулярно лучу и плоскости поляризации света. III. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ Используемой концентрации сурфактанта достаточно для задания гомеотропных граничных условий [5, 8]и, следовательно, возможна реализация инверсного режима эффекта электроуправляемой ионной модификации поверхностного сцепления. На рис. 1 представлены микрофотографии капли нематика под действием постоянного электрического поля различной амплитуды. В исходном состоянии капля имеет радиальную конфигурацию, характерную для гомеотропных граничных условий и характеризующуюся наличием объемного точечного дефекта-ежа в центре капли [7]. Воздействие электрического поля с напряженностью Е ≤ 0,015 В/мкм не изменяет ориентационную структуру капли (рис. 1 а). Увеличение напряженности управляющего поля до 0,017 В/мкм приводит к изменению граничных условий от гомеотропных к наклонным (длинные оси молекул сориентированы под углом к нормали на границе раздела) на небольшой части межфазной поверхности капли (рис. 1 б), которые становятся тангенциальными при Е = 0,019 В/мкм (рис. 1 в). В результате радиальная конфигурация трансформируется в структуру с ежом и кольцеобразным поверхностным дефектом [5]. Дальнейшее увеличение поля приводит к большей доли поверхности с модифицированными граничными условиями, при этом общие черты ориентационной структуры сохраняются. Такая картина наблюдается вплоть до значения Е = 0,035 В/мкм выше которого доля измененной границы раздела не зависит от величины приложенного поля (рис. 1 г). Из этого следует, что эффект электроуправляемой ионной модификации поверхностного сцепления, работающий в инверсном режиме, имеет пороговое управляющее напряжение, меньше которого изменения не происходят, а так же напряжение насыщения, выше которого ориентационная структура не зависит от величины приложенного поля. Рис. 1. Верхний ряд – микрофотографии капли нематика, допированного 9 % ЦТАБ, сделанные в геометрии скрещенных поляризаторов; средний ряд – фотографии с выключенным анализатором; нижний ряд – соответствующие конфигурации директора. Ориентация поляризаторов показана двойными стрелками. Электрическое поле направлено справа налево. a) Е ≤ 0,015 В/мкм; б) Е = 0,017 В/мкм; в) Е = 0,019 В/мкм; г) Е ≥ 0,035 В/мкм. На рис. 1 (средний ряд) показаны микрофотографии капли нематика, наблюдаемой в поляризованном свете. Видно, что рассеяние света отдельной каплей, а, следовательно, и ансамбля капель, зависит от граничных условий. Таким образом, модификация граничных условий даже на части межфазной поверхности капель должна приводить к изменению макроскопических оптических характеристик композитной пленки. На рис. 2 приведена зависимость изменения светопропускания ΔТ композитной пленки в прямом направлении для нормально падающего поляризованного света. Видно, что никаких изменений ΔТ не происходит вплоть до Е = 0,03 В/мкм, приложение электрического поля напряженностью Е = 0,04 В/мкм приводит к изменению светопропускания на 17 %, что объясняется изменением светорассеяния каплями при трансформации их ориентационной структуры. Зависимость изменения светопропускания Т Е выходит на насыщение при Е = 0,05 В/мкм, достигая значения 23 % (рис. 2). Такая величина Т сохраняется до Е = 0,07 В/мкм. Рис. 2. Зависимость амплитуды модуляции светопропускания ΔТ композитной пленки от напряженности управляющего поля Е. IV. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Таким образом, ионно-сурфактантный метод модификации поверхностного сцепления позволяет трансформировать ориентационную структуру в каплях ЖК и, следовательно, управлять макроскопическими оптическими характеристиками композитной пленки. Оптический отклик имеет явную пороговую зависимость от величины приложенного поля, при этом напряженность управляющего электрического поля примерно на порядок меньше значений напряженности для композитов с аналогичной структурой, работающих на классическом эффекте Фредерикса. Работа выполнена при частичной поддержке за счет средств грантов № П901 ФЦП «Кадры России», РНП.2.1.1.3455 и проектов СО РАН № 110, 144. ЛИТЕРАТУРА [1] E. Dubois-Violette, P.G. de Gennes, “Local Frederiks transitions near a solid/nematic interface”, J. Phys. Lett (France), v. 36, p. L-255–L-258, 1975. [2] В. Я. Зырянов, М. Н. Крахалев, О. О. Прищепа, А. В. Шабанов, “Ориентационно-структурные превращения в каплях нематика, обусловленные ионной модификацией межфазной границы под действием электрического поля”, Письма в ЖЭТФ, т. 86, вып. 6, с. 440–445, 2007. [3] J. E. Proust, L. Ter-Minassian-Saraga, E. Goyon, “Orientation of NLC by suitable boundary surface”, Solid state communications, v. 11, p. 1272–1280, 1972. [4] О. О. Прищепа, А. В. Шабанов, В. Я. Зырянов, “Трансформация конфигурации директора в каплях нематического жидкого кристалла при изменении граничных условий”, Письма в ЖЭТФ, т. 79, вып. 6, с. 315–319, 2004. [5] В. Я. Зырянов, М. Н. Крахалев, О. О. Прищепа, А. В. Шабанов, “Инверсная мода эффекта модификации поверхностного сцепления в каплях нематика”, Письма в ЖЭТФ, т. 88, вып. 9, с. 688– 692, 2008. [6] Ж. Коньяр, Ориентация нематических жидких кристаллов и их смесей. Минск: Университетское, 1986, 104 с. (J. Cognard, Alignment of nematic Liquid Crystals and Their Mixtures. London: New York, Paris, 1982). [7] P. S. Drzaic, Liquid crystal dispersions. Singapore: World Scientific, 1995, 430 p. [8] М. Н. Крахалев, В. А. Лойко, В. Я. Зырянов, “Электрооптические характеристики полимердиспергированной жидкокристаллической пленки, управляемой ионно-сурфактантным методом”, Письма в ЖТФ, т. 37, вып. 1, с. 72–77, 2011.