A nematikus folyadékkristályok dinamikai tulajdonságai: A nyírási áramlás és a mágneses tér hatása

A kísérleti felállás, amelyet a Miesowicz-féle mérés alkalmazásával végzett kutatásban használnak, a táblát alkotó rúd és egy lemez segítségével mérhető, melyet a nematikus folyadékkristályok áramlási viselkedésére alkalmaznak. Az oszcillációk lecsengési ideje és a viszkozitás közötti inverz arányt már bizonyították. A kísérlet során a lemez mozgásának irányában fellépő viszkózus feszültségkomponens révén zajlik a disszipáció. A kísérletet úgy tervezték, hogy az X-tengely a folyadékáramlás irányába, míg a Y-tengely a lemez felületére merőlegesen mutasson. A viszkózus feszültségtenzor σ_v komponense, a σ_vxy az, amely az áramlás által keltett feszültséget jellemzi.

A szokásos hidrodinamikai megközelítés alapján, a dinamika viszkozitása η összekapcsolja a tangenciális feszültséget és a helyi nyírási sebességet: σ_vxy = ηs. Miesowicz kísérletekben az irányok három típusát mérte, figyelembe véve a folyadékkristályos irányítót (direktor) a sebességgel és sebességgradienssel kapcsolatban. Különböző viszkozitás-értékeket mért, és azt találta, hogy a nematikus folyadékokban legalább három eltérő viszkozitás létezik. Ez a felfedezés alapvető szerepet játszik a nematikus folyadékkristályok dinamikai tulajdonságainak megértésében, különösen a magasabb szintű alkalmazásokban, ahol az irányítók elhelyezkedése és a molekuláris rendeződés meghatározó tényező.

A különböző viszkozitási komponensek az irányító (director) elhelyezkedésétől függnek. A nematikus fázisban a viszkozitás, amelyet ηa-nak, ηb-nek és ηc-nek nevezünk, három különböző irányú áramlás esetén mérhető. ηa akkor lép fel, amikor a sebesség és a sebességgradiens merőlegesek az irányítóval (v⊥n̂), ηb, amikor a sebesség párhuzamos az irányítóval (v||n̂), és ηc, amikor a sebesség és a sebességgradiens párhuzamosak az irányítóval (v⊥n̂ és ∇v||n̂).

Gahwiller kísérletei bemutatják a különböző viszkozitás-összetevők mérését Poiseuille-áramlás esetén egy lapos kapilláris csőben, amelyet erős mágneses tér segítségével orientáltak. A kísérletek azt mutatták, hogy az MBBA nematikus folyadékok viszkozitása az irányítótól és a hőmérséklettől függően jelentős anisotrópiát mutat. Az alacsonyabb hőmérsékletekhez közel, a viszkozitás növekedése és a nematikus-izotróp fázisátmenetkor a viszkozitások nem egyeznek meg. A nematikus fázis, amelyet erős mágneses tér orientál, erősen anisotróp viszkózus folyadékként viselkedik, amelyben a rotációs viszkozitás uralja a direktor dinamikáját a hidrodinamikai áramlás hiányában. Erős kölcsönhatás figyelhető meg az irányítótér és a sebesség között, amely áramlásinstabilitáshoz vezethet.

A nematikus folyadékkristályok viselkedése, ha nyírási áramlás és mágneses tér hatásának van kitéve, szintén jól dokumentált kutatások tárgyát képezi. Fatriansyah és munkatársai a nyírási áramlás és mágneses tér hatását vizsgálták a nematikus folyadékkristályok dinamikai viselkedésére. Az ő kutatásukban a mágneses tér és a nyírási áramlás erős kölcsönhatása okozza a rendszer stabilitásának változását. A monodomén nematikus folyadékok stabilitásának elemzése során különböző mágneses mezők alkalmazásával azt találták, hogy a 5CB stabil marad nyírási áramlás esetén, míg a 8CB instabilnak bizonyult.

A stabil és instabil állapotokat az áramlás irányában a mágneses tér komponenstől függően, a térfázis diagram segítségével szemléltették. Az 5CB esetében, amely stabil marad, a mágneses tér növelése nem változtatja meg az irányítót, míg a 8CB esetében a mágneses tér hatására a rendszer instabilitása csökkenthető, és stabil állapotba kerülhet. A stabilitás térbeli diagramja és az instabilitás növekedése jól mutatja, hogy a magasabb mágneses mező stabilizálja a rendszert, míg a mágneses tér hiánya vagy az alacsony mágneses tér nem vezet stabilitáshoz.

A nematikus folyadékkristályok viszkozitásának és dinamikájának megértése elengedhetetlen a jövőbeli alkalmazások számára, mivel ez segíti elő az anyagok viselkedésének előrejelzését és a rendszerek stabilitásának kezelését különböző környezeti feltételek között. A további kutatások segíthetnek jobban megérteni a nematikus fázisban bekövetkező áramlási anomáliákat, különösen a mágneses mezők hatására, amelyek számos technológiai alkalmazásban, például kijelzők és optikai eszközök fejlesztésében kiemelt szerepet játszanak.

Hogyan befolyásolja a nem-mesogén oldószer a Smektikus A fázisátmenetet?

A nem-mesogén oldószer jelenléte az olyan folyadékkristályos keverékekben, amelyek smektikus A (Sm A) fázist mutatnak, új fizikai jelenségek megjelenéséhez vezethet. Az ilyen típusú rendszerekben végzett kísérleti vizsgálatok azt mutatták, hogy az oldószerek jelentős hatással vannak a folyadékkristályos anyagok, például a nematikus és smektikus fázisok fizikai tulajdonságaira. A biphenil (C2H5–C2H5) oldószer és 4,4'-n-octil-cianobiphenil (8CB) keverékében végzett kutatások során Dasgupta és munkatársai azt találták, hogy az NSA fázisátmenet közeli területein anomáliás változások, például a dielektromos anizotrópia, a splay elasztikus állandó K1 és a rotációs viszkozitás γ éles csökkenése figyelhető meg. Az adiabatikus szkennelő kalorimetriás mérések során Denolf és munkatársai különböző oldószerek (például ciklohexán és biphenil) hatását vizsgálták a NSA fázisátmenet rendjére. Két különböző viselkedést figyeltek meg: míg a biphenil keverékében a fázisátmenet folyamatos maradt minden koncentrációban, addig a 8CB + ciklohexán keverékében a fázisátmenet folyamatosból elsőrendű fázisátmenetté vált, amikor az oldószer koncentrációja elérte egy kritikus értéket.

A nem-mesogén oldószer hatásának elméleti modellezése a Sm A és nem-mesogén oldószer keverékek NSA fázisátmenetének vizsgálata terén igen korlátozott. Mukherjee és Khan a Flory–Huggins elmélet keretében dolgoztak ezen a problémán, és a teljes szabadenergia-denzitás leírására használták a következő formulát:

Ahol $f_{mix}(\varphi)$ az izotróp keverés szabadenergia-denzitása, amely a következőképpen van kifejezve:

A második tag, $f_{LC}(\varphi, S, \psi_0)$, a folyadékkristályos fázisra vonatkozó szabadenergia denzitása, amely tartalmazza az orientációs és translációs rend paraméterek összekapcsolódását, valamint az elasztikus és rendkívül anizotróp kölcsönhatásokat.

Mukherjee és Khan eredményei összhangban vannak a kísérleti adatokat, és kifejtik, hogy a biphenil koncentrációjának növekedésével az NSA fázisátmenet folyamatos marad, de a splay és hajlítási elasztikus állandók (K1, K3) csökkenése figyelhető meg, miközben az elsőrendű átmenet területei a kritikus pont közelében előtérbe kerülnek. A koncentráció növekedésével a rendszer viselkedése fokozatosan az izotróp állapotból a markánsan anizotróp állapotba halad, amely tovább bonyolítja a fázisátmenet leírását.

Egy másik fontos szempont, hogy a nem-mesogén oldószer bevezetése nemcsak az NSA fázisátmenet rendjét változtatja meg, hanem a fázisátmenet térbeli és időbeli dinamikáját is. Ez különösen a hőmérséklet és az oldószer koncentrációjának függvényében figyelhető meg, mivel az oldószer jelenléte jelentősen módosíthatja a molekulák közötti kölcsönhatásokat, és így a molekuláris rendet, a splay és hajlítási elasztikus modulokat is. Ezen kívül az oldószerek növelhetik a szimmetriát és az anizotrópiát a rendszerben, amely új típusú fázisátmeneteket eredményezhet, amiket nem lehet könnyen megjósolni a hagyományos modellek alapján.

A keverékek viselkedése és azok hatása a fázisátmenetekre, különösen az NSA fázisátmenetre, folyamatos kutatásokat igényel. Azok a modellek, amelyek képesek kezelni a különböző összetevők közötti kölcsönhatásokat és az új fázisok megjelenését, sokkal pontosabban előre jelezhetik a kísérleti eredményeket, és segíthetnek abban, hogy megértsük, miként befolyásolják az oldószerek a folyadékkristályos rendszerek viselkedését a fázisátmenetek során.