Регистрация / Вход
Прислать материал

Ориентационная структура суспензии на основе нематика вблизи ориентирующей поверхности во внешних силовых полях

Сведения об участнике
ФИО
Мандрыкин Сергей Дмитриевич
Вуз
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский государственный национальный исследовательский университет»
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Физика и астрономия
Раздел области наук
Физика конденсированных сред. Физическое материаловедение
Тема
Ориентационная структура суспензии на основе нематика вблизи ориентирующей поверхности во внешних силовых полях
Резюме
В рамках континуального подхода изучены ориентационные фазовые переходы в суспензии ферромагнитных и сегнетоэлектрических частиц на основе нематического жидкого кристалла (НЖК). Суспензия находится в контакте с ориентирующей поверхностью и помещена в скрещенные электрическое и магнитное поля. Получена система уравнений ориентационного равновесия суспензии. Изучены случаи мягкого и жесткого планарного сцепления примесных частиц с молекулами НЖК. Получены ориентационные фазовые диаграммы суспензии, пространственное распределение углов поворота директора, намагниченности и поляризации для различных значений материальных параметров суспензии и внешних силовых полей.
Ключевые слова
континуальная теория, жидкокристаллическая суспензия, магнитное и электрическое поля, нематический жидкий кристалл
Цели и задачи
Обобщить континуальную теорию феррожидких кристаллов на суспензию ферромагнитных и сегнетоэлектрических частиц в нематическом жидком кристалле. Изучить ориентационные переходы, индуцированные внешними магнитным и электрическим полями, в рассматриваемой суспензии. Получить пространственные зависимости ориентационной структуры суспензии для различных напряженностей внешних полей и материальных параметров системы. Построить соответствующие ориентационные фазовые диаграммы.
Введение

Жидкие кристаллы (ЖК) – это вещества, обладающие одновременно свойствами жидкости – текучестью – и кристалла – анизотропией. Добавление объектов микро- и наноразмера различной природы в ЖК приводит к существенному изменению свойств получаемой композитной системы, являющейся примером мягкой среды. Дополнительные внутренние степени свободы и высокая чувствительность к внешним полям обусловливают появление новых физических эффектов в них. Сейчас ведется активное изучение ЖК с внедренными ферро- и сегнеточастицами, квантовыми точками, углеродными нанотрубками и т. д. Данный подход примечателен тем, что для изменения свойств ЖК не требуется химического синтеза веществ, который в некоторых случаях может уже не давать требуемого результата.

Методы и материалы

Методом минимизации функционала свободной энергии суспензии получены уравнения для определения векторных полей директора, намагниченности и поляризации суспензии. Используются как численные методы при решении полной системы интегральных уравнений, так и аналитические подходы к решению проблемы: методы приближенной оценки интегралов, метод разложения по малому параметру.

Описание и обсуждение результатов

Обобщена континуальная теория феррожидких кристаллов на суспензию ферромагнитных и сегнетоэлектрических частиц в нематическом жидком кристалле (НЖК). Путем минимизации функционала полной свободной энергии суспензии получена система уравнений равновесия, определяющая ориентации углов директора и единичных векторов намагниченности и поляризации в суспензии. Численно и аналитически проанализирован ряд предельных случаев: чистый жидкий кристалл, НЖК с сегнетоэлектрической или ферромагнитной примесью, жесткое сцепление между НЖК и примесными подсистемами, неограниченная геометрия задачи. Получены ориентационные фазовые диаграммы суспензии с мягким сцеплением между директором, намагниченностью и поляризацией для неограниченной геометрии задачи. Произведен численный расчет системы интегральных уравнений ориентационного равновесия с учетом мягкого сцепления между НЖК и примесными подсистемами. Получено пространственное распределение углов поворота директора, намагниченности и поляризации для различных значений материальных параметров суспензии и внешних силовых полей. Установлено, что наличие указанных примесей приводит к существованию в системе возвратных переходов (угловая – гомеотропная – угловая фаза), при этом границы ориентационных фаз зависят от жесткости сцепления между директором и внедренными частицами. В отсутствие электрического поля показано, что при жестком сцеплении директора и вектора намагниченности суспензия имеет большую чувствительность к слабым магнитным полям, чем чистый нематик; в случае мягкого сцепления найдено критическое значение напряженности магнитного поля, при превышении которого директор в плоскости стенки всегда ориентирован в направлении магнитного поля.

Используемые источники
Sluckin T. J., Dunmur D. A., Stegemeyer H. Crystals That Flow: Classic Papers from the History of Liquid Crystals. London: Taylor & Francis. 2004. 768 p.
Блинов Л. М. Жидкие кристаллы: структура и свойства. М.: Книжный дом «ЛИБРИКОМ», 2013. 480с.
Stewart W. The static and dynamic continuum theory of liquid crystals: a mathematical introduction. London.: Taylor & Francis, 2004. 330 p.
Brochard F., de Gennes P. G. Theory of magnetic suspensions in liquid crystals // J. de Physique. 1970. Vol. 31. P. 691–708.
Fenghua L., West J., Glushchenko A. et al. Ferroelectric nanoparticle/liquid-crystal colloids for display applications // Journal of the SID. 2006. Vol. 14, no. 6. P. 523–527.
Garbovskiy Y. A., Glushchenko A. V. Liquid Crystalline Colloids of Nanoparticles: Preparation, Properties, and Applications // Solid State Physics. 2010. Vol. 62. P. 1–266.
Information about the project
Surname Name
Mandrykin Sergei
Project title
Orientational structure of nematic-based suspension near wall in external fields
Summary of the project
Within the continuous theory we studied orientational phase transitions in suspension of ferromagnetic and ferroelectric particles in nematic liquid crystal. The suspension is in contact with the wall and is placed into crossed electric and magnetic fields. Equilibrium equations are obtained. Cases of weak and strong planar anchoring between admixture particles and liquid crystal molecules are studied. Orientational phase diagrams of suspension and spatial distributions of the director, the magnetization and the polarization vectors for different values of material parameters of suspensions and external field strength are obtained.
Keywords
continuous theory, liquid crystal suspension, magnetic and electric fields, nematic liquid crystal