Сотрудники Института физики имени Л.В. Киренского СО РАН и Сибирского федерального университета (СФУ) совместно с российскими и иностранными коллегами исследовали капли нематического жидкого кристалла, измельченного в полимерной матрице. Результаты исследований были опубликованы в журнале Physical Review E.

Жидкие кристаллы (ЖК) — это химические вещества, которые в определенном интервале температур могут образовывать мезофазу — промежуточное состояние между твердым и жидким. Жидкие кристаллы сочетают в себе два противоположных свойства: они обладают текучестью, характерной для жидкостей, и анизотропией физических свойств, присущей твердым кристаллам.

Такие особенности ЖК обусловлены наличием ориентационного порядка длинных осей молекул: длинные оси молекул стремятся расположиться параллельно друг другу, при этом они могут относительно свободно перемещаться или вращаться. В результате молекулы, из которых состоит жидкий кристалл, остаются подвижными, но в то же время они определенным образом ориентированы — именно этим обусловлена анизотропия свойств. Ориентация молекул — ориентационная структура или конфигурация – может быть различна, более того, она изменяется под воздействием электрического поля. Именно поэтому ЖК нашли широкое применение в различных электрооптических устройствах, например, в дисплеях.

Капсулированный полимером жидкий кристалл (КПЖК) — это пленка, в которой маленькие капли жидкого кристалла размером от долей микрона до десятков микронов диспергированы (включены) в гибкую твердую полимерную матрицу. Такие пленки используются для создания «умных» стекол, которые изменяют свою прозрачность в зависимости от приложенного напряжения. В жидкокристаллических каплях можно сформировать различные ориентационные структуры в зависимости от параметров используемого материала, размера и формы полости, а также от граничных условий — особенностей взаимодействия молекул ЖК и полимера. Электрическим полем можно изменять ориентационную структуру ЖК капель, переключая тем самым пленку из сильно рассеивающего оптического состояния в прозрачное оптическое.

Капли жидкого кристалла. Lisa Tran/University of Pennsylvania

Авторы исследовали капли нематических жидких кристаллов эллипсоидной формы, полученные в результате диспергирования жидкого кристалла в полимер. Ученые подобрали определенный состав компонентов ЖК и полимера, при котором этот полимер задает конические граничные условия. При таких условиях молекулы жидкого кристалла на границе капли ориентированы под углом в 40о к поверхности. С помощью методов поляризационной микроскопии авторы детально исследовали особенности ориентационной структуры в каплях ЖК и ее изменение под действием электрического поля. Также ученые проводили компьютерное моделирование ориентационной структуры таких капель в отсутствие и под действием поля.

«Мы показали, что капли с коническими граничными условиями имеют аксиал-биполярную ориентационную структуру. В таких каплях есть один дефект в виде кольца, который характерен для аксиальной структуры, и два точечных дефекта, которые обычно есть в биполярной структуре», — рассказал один из авторов статьи Михаил Крахалев, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института физики имени Л.В. Киренского СО РАН, доцент кафедры общей физики Института инженерной физики и радиоэлектроники Сибирского федерального университета.

В отличие от других капель такое «сочетание» дефектов в каплях с коническими граничными условиями приводит к бистабильному поведению системы. При таком поведении есть два устойчивых положения дефектов в каплях, так как биполярная ось – ось, соединяющая точечные дефекты, – может быть расположена либо вдоль короткой оси капли, либо перпендикулярно ей.

«В каплях ЖК при воздействии электрического поля происходит трансформация ориентационной структуры, однако после выключения поля они не возвращаются в исходное состояние, а сохраняют новую конфигурацию. Такой эффект ранее не наблюдался для капель нематика при других граничных условиях», — заключил Михаил Крахалев.