Исследование электрооптических свойств полимерно- дисперсных жидких кристаллов, допированных наночастицами оксида железа

Цыренова М. А., Чимытов Т. А., Романов Н. А., Калашников С. В., Хартаева Э. Ч., Но-моев А. В. Исследование электрооптических свойств полимерно-дисперсных жидких кристаллов допированных наночастицами оксида железа // Вестник Бурятского государственного университета. Химия. Физика. 2019. Вып. 1. С. 38–43.

В данной работе рассматриваются полимерно-дисперсные жидкие кристаллы (ПДЖК), включающие в себя микро- и наноразмерные наночастицы оксида железа Fe 3 O 4 . В последние годы добавление различных наночастиц в ПДЖК активно исследуется для улучшения их свойств [1, 2]. Для работы были выбраны нематические жидкие кристаллы, так как нематики являются достаточно доступным для исследования материалом и легко управляемым. Они выдерживают существенные внешние механические и световые нагрузки. Допирование наночастицами ПДЖК пленок приводит к уменьшению размера капель жидких кристалл (ЖК) в процессе полимеризации, что влечет за собой снижение значений времен отклика и порогового напряжения.

Ранее нами определено, что янус подобные наночастицы обладают значительным дипольным моментом и уменьшают время включения ПДЖК [3, 4]. Дипольный момент способствует дополнительному увеличению диэлектрической анизотропии ПДЖК по сравнению с оксидными и металлическими наночастицами, это дает уменьшение времен отклика ПДЖК. Прикладываемое электрическое поле разворачивает эти частицы в соответcтвии с их дипольным моментом, тем самым ускоряя поворот молекул нематических жидких кристаллов. В случае использования наночастиц, обладающих магнитным моментом, предполагается, что магнитные наночастицы будут взаимодействовать с электромагнитным полем, создающимся в результате изменения управляющего напряжения, подаваемого на ПДЖК. Очевидно, это приведет к изменению электрооптических свойств жидких кристаллов. Исследований, по влиянию магнитных наночастиц на электрофизические свойства ПДЖК, до настоящей работы не проводилось.

Экспериментальное оборудование

В качестве материалов для создания полимерно-дисперсных жидких кристаллов использовались следующие соединения: коммерческие поливинилацетат и нематический жидкий кристалл с положительной диэлектрической анизотропией 4-пентил-4’-цианобифенил (5СB). Выбор этих компонентов объясняется их доступностью и достаточной изученностью. Для допирования исходной полимерно-жидкокристаллической смеси использовались наночастицы Fe3O4, которые были получены методом лазерной абляции в потоке кислорода [5]. Концентрация добавляемых частиц составила 1%. Взвешивание суспензии производилась на аналитических весах (Vibra AF 224RCE). Смесь полимера, жидких кристаллов и наночастиц обрабатывалась ультразвуком в течение 10 мин при частоте 22 кГц. Полученный раствор наносился на стеклянную подложку с токопроводящим по- крытием. При испарении растворителя происходит фазовое разделение «жидкий кристалл — полимер». В результате образуется пленка, содержащая капли жидких кристаллов. После полного испарения растворителя пленку накрывают вторым стеклом с токопроводящим покрытием и помещают на 10 минут в печь, нагретую до 120оС, затем охлаждают до комнатной температуры. Получившуюся ячейку помещают на экспериментальную установку для исследования жидкокристаллических систем [6]. На данной установке можно регулировать электрическое напряжение, необходимое для открытия ячейки жидких кристаллов, это позволяет исследовать зависимость их электрооптических свойств от управляющего напряжения. Установка эффективна при измерении быстродействия и световой прозрачности ячейки жидких кристаллов, так как частотой и напряжением электрического сигнала, подаваемого на ячейку, возможно управлять в широких пределах. Исследование оптического отклика образцов проводилось при подаче на них напряжения 62 В, являющимся напряжением насыщения (соответствующее 0,9 от величины максимального пропускания) и частотой сигнала 50 Гц.

Временные характеристики ЖК делятся на 2 периода: τ on — время включения ЖК и τ off — время выключения ЖК. Сумма этих времен и дает в конечном счете время отклика жидких кристаллов [7]. Время включения и выключения описываются формулами:

4л-?? d2

τ on =                  ,

τ off = ηd²/π²K ,

где η — вязкость ЖК, Δε (f) — диэлектрическая анизотропия, зависящая от частоты, d — толщина слоя ЖК, U — приложенное напряжение, U 0 — пороговое напряжение электрооптического эффекта, K — коэффициент упругости Франка.

Пороговое напряжение U 0 зависит от свойств жидкого кристалла — диэлектрической анизотропии Δε и коэффициента упругости Франка [8].

Из формул видно, что ускорить процесс релаксации можно с помощью уменьшения вязкости жидкого кристалла, поднимая температуру ЖК и повышая коэффициент их упругости. Изменение напряжения, прикладываемого к слою жидкого кристалла, влияет только на ускорение оптического отклика нематического жидкого кристалла [9].

Результаты и их обсуждение

На рис. 1 показаны зависимости времен отклика чистых ЖК и ЖК, допиро-ванных наночастицами Fe 3 O 4 в течении всего эксперимента. Видно, что время отклика ЖК, допированных наночастицами Fe 3 O 4 , изменяется со временем и в среднем уменьшается (линия 1). В то время как время отклика для чистых кристаллов не меняется (линия 2). С определенного момента (20 мин от начала эксперимента) время отклика ЖК+Fe 3 O 4 становится меньше, чем в немодифициро-ванных жидких кристаллах. Время отклика чистых ЖК не изменялось в течении 80 мин. Такое поведение времени отклика для ЖК, допированных наночастицами Fe 3 O 4 , может свидетельствовать об изменении (уменьшении) вязкости в течении всего эксперимента.

Рис. 1. Зависимости времен отклика чистых ЖК (линия 2) и ЖК допированных наночастицами Fe 3 O 4 (линия 1) в течении всего эксперимента.

Результаты измерений электрооптических характеристик ПДЖК пленок, содержащих наночастицы Fe 3 O 4 , представлены на рис. 2. Показаны осциллограммы оптического отклика образцов с наночастицами Fe 3 O 4 при подаче на них управляющего напряжения 62 В (рис. 2, слева). Значения времен отклика при этом изменяется от 8,23 мс до 6,23 мс. Видно, что с течением времени эксперимента время выключения уменьшается. При этом также уменьшается максимальное значение напряжения фотосигнала, что свидетельствует о снижении прозрачности образцов. Для чистых ЖК осциллограммы со временем не меняются (рис. 2, справа). Время отклика при этом равно 7,82 мс.

Рис. 2. Осциллограммы оптического отклика: слева — ПДЖК+ Fe 3 O 4 a — управляющее напряжение; b — 15 с начала эксперимента; c -30 минут с начала эксперимента; d -45 минут с начала эксперимента; e — 60 минут с начала эксперимента; справа — чистые ПДЖК

Заключение

Проведены исследования влияния магнитных наночастиц Fe 3 O 4 на скорость оптического отклика полимерно-дисперсных жидкокристаллических пленок.

При добавлении наночастиц Fe 3 O 4 времена отклика в среднем уменьшаются. С определенного момента времени время отклика ПДЖК, допированных наночастицами Fe 3 O 4 , становится меньше чем в чистом ПДЖК. Полученные данные показывают целесообразность использования наночастиц Fe 3 O 4 для модификации ПДЖК-композиции.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 18-79-10143).