Структурні перетворення в рідинах з сильноанізотропними молекулами

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ

Одеський державний університет ім. І.І. Мечникова

01.04.14-теплофізика та молекулярна фізика

УДК 536.4:535.8

Структурні перетворення в рідинах з сильноанізотропними молекулами

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Гоцульський Володимир Якович

ОДЕСА 1999

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Одеському державному університеті ім. І.І. Мечникова на кафедрі загальної та хімічної фізики

Захист відбудеться “12“ жовтня 1999 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.41.051.01 при Одеському державному університеті ім. І.І.Мечникова.

Адреса: 270026, м.Одеса, вул. Дворянська, 2.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Одеського державного універсітету ім. І.І. Мечникова, вул.Преображенська,

Автореферат розісланий ”10” вересня 1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Федчук О.П.

АНОТАЦІЯ

Гоцульський В.Я. Структурні перетворення в рідинах з сильноанізатропними молекулами. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальностью 01.04.14 - Молекулярна фізика та теплофізика.- Одеский державний університет ім.І.І.Мечникова, Одеса, 1999.

Дисертацію присвячено питанням структурування рідин з анізотропними молекулами, початковим стадіям зарождення нової фази та впливу на ці процеси зовнішних факторів. Розроблено методику та виготовлено установку, які дозволили вимірювати на одній базі данних з одноточковою реєстрацією кореляційні функції (КФ) другого порядку і моменти КФ третього порядку інтенсивності розсіяного світла.

За допомогою кореляційної спектроскопії досліджено структурування в пересичених водних розчинах винної кислоти на початкових стадіях латентного періоду при перемішуванні. Встановлено характер зростання рівня флуктуацій та розмірів асоціатів в латентному періоді при різних пересиченнях та числах Re.

За допомогою моментів КФ третього порядку виявленний різній негаусовий внесок в статистику різних мод молекулярних рухів в нематичному рідкому крісталі при наближенні до точки фазового перетворення нематик-ізотропна рідина. Виявлено динаміку сингулярних флуктуацій в нематичному рідкому крісталі при геометрічних обмеженнях, на основі якої зроблений висновок про тип фазового перетворення нематик-ізотропна рідина.

Ключові слова: структурування, колективні рухи, кореляційна спектроскопія

АННОТАЦИЯ

Гоцульский В.Я. Структурные превращения в жидкостях с сильноанизотропными молекулами.- Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.14 - Молекулярная физика и теплофизика.-Одесский государственный университет им.И.И.Мечникова, Одесса, 1999.

Диссертация посвящена вопросам структурирования жидкостей с анизотропными молекулами, начальным стадиям зарождения новой фазы и влиянию на эти процессы внешних факторов. Разработана методика и изготовлена установка, позволяющие измерять на одной базе данных при одноточечной регистрации корреляционные функции (КФ) второго порядка и моменты КФ третьего порядка интенсивности рассеянного света. Применение КФ старших порядков необходимо для адекватного анализа процессов с негауссовой статистикой. Впервые полученные моменты КФ третьего порядка являются монотонно возрастающими функциями для полей с гауссовой статистикой и искажаются с появлением негауссовости. Момент М3 более чувствителен к негауссовому вкладу по сравнению с корреляционными функциями второго порядка.

При помощи корреляционной спектроскопии исследовано структурирование в пересыщенных водных растворах винной кислоты на ранних стадиях латентного периода при перемешивании. Установлен характер возрастания уровня флуктуаций и размеров ассоциатов в латентном периоде при различных пересыщениях и числах Re. Перемешивание при определенных числах Re пересыщенных водных растворов винной кислоты приводит к экспоненциальному росту от времени перемешивания уровня гетерогенных флуктуаций. Показано, что в процессах роста ассоциатов при перемешивании пересыщенных растворов существенную роль играет гидродинамическая диффузия.

При помощи моментов КФ третьего порядка выявлен различный негауссовый вклад в статистику различных мод молекулярных движений в нематическом жидком кристалле при приближении к точке фазового перехода нематик-изотропная жидкость. Статистика поля продольных флуктуаций параметра порядка негауссова на протяжении всего температурного интервала мезофазы. Статистика поперечных флуктуаций директора - гауссова далеко от точки фазового перехода N-I, но при приближении к ней заранее появляется негауссовый вклад, обусловленный нарушением центральной предельной теоремы.

Выявлена динамика сингулярных флуктуаций в нематическом жидком кристалле при геометрических ограничениях. Коллективные движения поперечных флуктуаций S-моды имеют сингулярный характер на протяжении всей мезофазы: характерные времена флуктуаций директора при направлении колебаний параллельно подложке не зависят от температуры, а для колебаний перпендикулярных подложке круто спадают. Таким образом, переход N-I имеет признаки фазового превращения второго рода.

Ключевые слова: структурирование, коллективные движения, корреляционная спектроскопия.

водний кислота турбулізація

ABSTRACT

Gotsulsky V.Ya. <Structure changes in liquids with high anisotropy molecules> - Manuscript.

Dissertation on aquirence of scientific degree of PhD on spesialisation 01.04.14 - Molecular physics and thermophysics, Odessa, I.I. Mechnikov State University, Odessa, 1999.

Dissertation is devoted to questions of structurisation of liquids with anisotropy molecules, early stages of new phase origin and outward factors influence on these processes. The method was worked out and device was constructed which allow to measure on common data base at one-point registration correlation functions (CF) of second order and correlation function moments of the third order of scattered light intensity.

With the help of correlation spectroscopy structurisation was examined in over-saturated with wine acid water solutions on early stages of latent periods at mixing. Character of fluctuation level and associate sizes increase were determined in latent period at different over - saturations and Re- numbers.

With the help of the moments of CF of the third order different non-Gausses input in different mode of molecular movement statistics in nematic liquid crystal at getting to the point of phase conversion of nematic-isotropy liquid was revealed. Dynamics of singular fluctuations in nematic liquid crystal at geometrical limitations were revealed on the base of which conclusion was made about the type of phase transformation in nematic-isotropy liquid.

Key words: structurisation, molecular movement, correlation spectroscopy.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Незважаючи на успіхи в теоретичних та експериментальних дослідженнях процесів структурування в конденсованих системах немає повної картини цих явищ. Проблема структурування рідин та зародження кристалів є однією з основних в фізиці конденсованого стану речовини. Ці процеси залежать від багатьох факторів, найважливишимі серед яких є форма молекул, характер міжчастинкової взаємодії, можливість утворення водневих зв'язків і т.п. Особливо цікаве структурування під впливом різних факторів: підводу енергії, зовнішнього поля, тощо. Означені проблеми привертають велику увагу також в зв'язку з отриманням продуктів з задалегідь заданими властивостями, їх очисткою, розробкою більш ефективних режимів промислових процесів, а також різноманітних процесів в дисперсних системах. Вивчення структурування рідин з анізотропними молекулами в просторово обмежених об'ємах важливо в зв'язку з практичним використанням в промисловісті, біології і медицині.

Теоретично було показано, що турбулізація середовища в залежності від параметрів системи може призводити до зриву метастабільності, або пригнічувати початок утворення зародків. Це питання розглядалось з позицій сумірності розмірів мікровихора та критичного зародка по Дьорінгу при фазовому перетворенні. Експериментальні досліди в пересичених водних розчинах сахарози та винної кислоти, які не кристалізувались на протязі навіть десятків років, показали, що при малих пересиченнях інтенсивне перемішування призводить до масового зародження нової фази. Це явище автори пояснювали подрібленням кристалів, що утворювались. Механізми зриву метастабільності таких розчинів та утворення великої кількості кристалів при турбулізації пересичених розчинів повністю не з'ясовані. На наш погляд, структурування розчинів при турбулізації може відбуватися до утворення кристалічного зародку, особливо в системах, в яких сильно розвинута кластерна структура завдяки водневим зв'язкам, або іншим факторам. Наявність кластерної структури затруднює зародок кристалів, що може змінюватись при підводі енергії.

Природа фазового переходу нематичний рідкий кристал (НРК) - ізотропна рідина (N-I) потребує остаточного з'ясування. Одні автори відносять його до першого роду (хоча і близького до другого), а іншіми він вважається близьким до критичної точки. Питання критичної динаміки є складним внаслідок тензорного характеру параметру порядка. Слід зазначити, що вімірювання часу релаксації базується на припущенні гаусової статистики поля розсіяного світла навіть поблизу точки N-I переходу. Крім цього, класичні та сингулярні флуктуації в нематичному рідкому кристалі апроксимуються гаусовим наближенням, що також потребує перевірки. В зв'язку з цим набуває значення ретельний експериментальний аналіз статистики колективних рухів молекул НРК. Треба відзначити, що на сьогоднішній день немає надійної методики аналізу статистики негаусових полів. Цей аналіз можна провести, якщо вимірювати кореляційні функції старших порядків.

Теоретично було показано, що динаміка молекулярних рухів залежить від просторової обмеженості при критичних явищах. Оскількі в нематичних рідких кристалах довжина кореляції сумірна з товщиною плоских препаратів, що застосовуються в експериментах та на практиці, то природу фазових перетворень можна прослідкувати змінюючи умови просторової обмеженості.

Мета дисертаційної роботи. З'ясування специфіки структурування в системах з сильноанізатропними молекулами при впливі зовнішніх факторів. Конкретно ставились задачі:

1. Структурування водних розчинів винної кислоти в латентному періоді при турбулізації, що призводить до масової кристалізації. Вплив турбулізації розчину на розподіл дозародків по Дьорінгу на початкових стадіях структурування.

2. Експериментальний аналіз статистики колективних рухів молекул нематичного рідкого кристалу. З'ясування природи фазових перетворень НРК нематик-ізотропна рідина.

3. Для виконання поставлених задач розробити методику та установку для досліджування процесів як гаусовоі, так і негаусової статистики за допомогою кореляції фотонів розсіяного світла при одноточковій реєстрації.

Наукова новизна і практичне значення.

Основні положення дисертації, що виносяться на захист:

1.Для дослідження процесів як гаусової так і негаусової статистики розроблено методику та установку на базі побудови кореляційних функцій другого порядку та моментів КФ третього порядку електромагнитних полів при одноточковій реєстрації. Корелометр відрізняєтся від існуючих тим, що дозволяє досліджувати негаусову статистику і можливістю реєструвати слабкі світлові потоки (порядка 10-14 Вт/с).

2. В пересичених розчинах з анізотропними молекулами, де сильно розвинуті водневі зв'язки, при турбулізації відбувається структурування, що змінює в розчині розподіл докритичних зародків по Дьорінгу.

Оцінка середніх розмірів асоціатів не показує наявність переважного розміру, що свідчить про відсутність дроблення кристалів. При перемішуванні в процесах росту асоціатів головну роль відіграє гідродинамічна дифузія.

3. Виявлення негаусового внеску в статистику різних мод молекулярних рухів в нематичному рідкому кристалі при наближенні до точки фазового перетворення N-I.

4. Динаміка колективних рухів поперечних флуктуацій директора нематиків має характер фазового переходу другого роду.

На сьогодняшний день не має теоретичних розробок для опису статистики негаусових електромагнитних полів з допомогою кореляційних функций старших порядків. Розроблені методика і установка вимірювання КФ третього порядку РС можуть ініціювати теоретичні розробки по застосуванню кореляційних функцій високих порядків в кореляційній спектроскопії, що дозволить більш адекватно описувати об'єкти, що вивчаються.

Закономірності початкових структурувань, що виявлені в латентному періоді в пересичених метастабільних розчинах, можуть бути корисними для подальших теоретичних робот та практичного застосування (виготовлення продуктів з заданими властивостями, розробка ефективних технологічних режимів та ін.).

Результати досліджень різних мод колективних рухів в нематичних рідких кристалах, що показали зміну характеру рухів при геометричних обмеженнях коливань, важливі для подальшого розвитку теорії фазових перетворень та практичних використань як в промисловості так і при вивченні біологічних об'єктів (мембран, щілин, капілярів).

Особистий внесок здобувача полягає в тому, що у всіх спільних публікаціях він приймав участь в експериментальних вимірах і в аналізі та обговоренні результатів.

Апробація результатів дисертації.

Результати дисертації доповідались на: Cемінарі по теорії та практиці кристалізації при Науковій Раді АН СРСР “Теоретичні основи хімічної технології” (Брянськ, 26-27 травня 1989 р.), XI Національній школі-семінарі “Спектроскопія молекул та кристалів” (Харків 14-21 травня 1993 р.), XIII Національній школі-семінарі з міжнародною участю“Спектроскопія молекул та кристалів” (Суми 20-25 березня 1997 р.), International Conference “HYDROGEN BOND” (May 10-15, 1998, Kyiv, Ukraine), Ogolnopolska konferenzja naukowa z udzialem gosu zagranicznich “Problemy fizyczne ekologi] wod naturalnych” (Szczecin, 14-15 wresnja 1998), Internnational Conference dedicated to the memory of Prof. I.Z.Fisher “Special Problems in Physics of Liquids” (May 31-June 4, 1999, Odessa, Ukraine), XIV International school-seminar Spectroscopy of Molecules and Crystals (7-12 June, 1999, Odessa).

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 3 статтях у наукових журналах, в 1 збірнику наукових праць, 7 тезах доповідей на конференціях.

Структура дисертаційної роботи. Дисертація включає вступ, чотири розділи, 112 використаних літературних джерел, 2 таблиці, 32 рисунка, 109 сторінок.

2. СКОРОЧЕНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В вступі обгрунтовується актуальність і формулюєтся мета дисертаційної роботи та основні положення, що виносяться на захист.

В першому розділі зроблений огляд літературних джерел за темою дисертації. Розглянуто теоретичні та експериментальні роботи по впливу турбулізації на фазові перетворення, теоретичні розробки по критичним явищам в геометрично обмежених системах, особливості фазових перетворень в нематичних рідких кристалах та способи відокремлювання в НРК різних мод колективних рухів при розсіянні світла.

В другому розділі обгрунтовується вибір методики, описуються запропонований метод та побудована установка для набору кореляційних функцій другого порядку і моменту КФ третього порядку інтенсивності розсіяного світла. Наводяться результати тестування установки і оцінки похибок набору кореляційних функцій методом сум.

В теоретичних роботах було показано, що для повного описання електромагнітного поля недостатньо знати g(2)(), оскількі в цю функцію не входить інформація про фазу. Кореляційна функція g(3)() несе принципово нову інформацію, що важливо в випадках, коли поле не описується гаусовою статистикою і співвідношення Зігерта не виконується.

Раніше у нашій лабораторії був розроблений метод та зібрана установка, яка грунтувалась на перетворенні часового інтервалу в амплітуду з наступною побудовою та накопичуванням розподілів амплітуд за допомогою аналізатора імпульсів АИ-256. Накопичування розподілу інтервалів часу між сусідніми, через 1,2,…,n імпульсами R(n,)= <I(0)I()P(n,)> дозволило визначити КФ другого порядку G(2)(). Нами було запропоновано безпосередньо перетворювати часові інтервали між фотовідліками в код с запом'ятовуванням масивів даних в оперативній пам'яті комп'ютера. Це дозволило по одним даним будувати кореляційні функції другого порядку і моменти КФ більш старших порядків згідно виразам

Тестування методики і перевірка роботи установки проводилась традіційними методами, прийнятими в кореляційній спектроскопії. В розділі наведенні кореляційні функції другого порядку та моменти M3() для періодичних сигналів, “білого” світла, змуленого у воді латексу, випадкового фазового екрану з гаусовою та негаусовою статистикою статистиками розсіяного лазерного випромінювання. Оцінена похибка набору кореляційних функцій, яка становила не більше 0,5%.

В третьому розділі досліджувалась динаміка початкових стадій структурування пересичених розчинів під дією перемішування.

Такого роду досліди зручно проводити на розчинах, що спонтанно не кристалізуються, та при перемішуванні мають достатньо великий латентний період л.

Таким умовам відповідають водні розчини винної кислоти С4Н6О6 з малими ступенями пересичення h=C/Cн не більших ніж 1,2. Тут C та Cн - концентрації досліджуємого та насиченого розчинів відповідно.

Для дослідження початкових стадій нуклеації нами використовувались як інтегральні, так і спектральні характеристики розсіяного світла. Вимірювання інтенсивності розсіяного світла I проводилось за стандартною методикою.

Розчини перемішувались двухлопастною мішалкою. В залежності від Re та пересиченя визначалась тривалість л. На рис.1 наведені значення коефіцієнтів концентраційного розсіяння світла R90 в залежності від тривалості перемішування tпер розчинів різних концентрацій. Як видно з графіків, при перемішуванні ненасичених розчинів величина R90 не змінюється в межах помилки вимірювання (криві 1, 2). Перемішування пересичених розчинів супроводжувалось зростанням інтенсивності розсіяного світла. Як видно з кривих 3-5 при однаковій температурі та числі Re коефіцієнти розсіяння водних розчинів винної кислоти зростають як з збільшенням концентрації, так і з збільшенням часу перемішування. Різке зростання інтенсивності РС приходиться на другу половину латентного періоду.

Для оцінки впливу перемішування на структурування розчинів розраховувався рівень флуктуацій f, як це запропоновано Вуксом:

Тут - довжина хвилі зондуючого променя, NA -число Авогадро, n - показник заломлення середовища, X1, X2 - молярні концентрації компонентів розчину, V12- молярний об'єм розчину. Залежність ln(f(tпер)) виявилась лінійною з різним коефіцієнтом нахилу від концентрації. Отже, зростання рівня флуктуацій від часу перемішування можна представити експоненціальною залежністю f=f0 exp(btпер). Тут f0 - рівень флуктуацій в розчині, що знаходиться у спокої, b - швидкість росту асоціатів при перемішуванні. Визначені по нахилу прямих ln(f(tпер)) значення b показали, що швидкість росту рівня флуктуацій не залежить від тривалості перемішування і з ростом пересиченості зростає по закону близькому до лінійного. Таким чином, інтенсивне перемішування з Re>Reпорог призводить до порушення динамічної рівноваги розподілу асоціатів по розмірам, що існує в стабільних та метастабільних системах згідно теорії Фольмера-Дьорінга.

Середні розміри асоціатів оцінювались вимірюванням КФ другого порядку розсіяного світла g(2)()=1+exp(-2Dq2). Тут D=kБT/6r- коефіцієнт дифузії, q- вектор розсіяння, kБ - постійна Больцмана, T - температура, - в'язкість середовища.

Середні розміри асоціатів в водних розчинах винної кислоти, які вимірювались після перемішування на протязі л/3, що не призводило до зриву метастабільності, зображені на рис.2. В цьому випадку зниження швидкості їх росту можна пояснити зменшенням з часом концентрації кислоти в “дворику” асоціатів.

Розміри асоціатів, які визначались при зупинках для вимірів при перемішуванні розчинів аж до випадання хмари кристалів, зображені на рис.3. В цьому випадку розмір асоціатів змінюється по закону близькому до r0exp(tпер/), де r0- початковий розмір асоціатів, - коефіцієнт, який залежить від пересичення і умов експерименту. Таку велику швидкість в порівнянні з ростом в спокої можна пояснити переважною роллю гідродинамічної дифузії.

В теоретичних розрахунках припускалось, що поблизу критичної точки турбулізація може пригнічувати фазовий перехід, або ініціювати його. Результат залежить від сумірності розмірів мікровихора та критичного зародка по Дьорінгу. В попередніх експериментальних роботах вважалось, що перемішування розчинів призводить до подріблення кристалів, що утворюються. Нами не спостерігалось явище пригнічування фазового перетворення, а також не спостерігалось подроблення кристалів. Так із рис.3 видно, що на протязі латентного періода відсутні переважні розміри асоціатів. Крім того, з рис.1 видно, що структурування розчинів відбувається на початкових стадіях перемішування пересичених розчинів.

В четвертому розділі наведені результати дослідження статистики електромагнітного поля, розсіяного сінгулярними флуктуаціями нематичних рідких кристалів, а також вплив геометричних обмежень на динаміку колективних рухів. За зразки, що досліджувались, був вибраний нематичний рідкий кристал МББА (n-метоксибензіліден-n'-бутіланілін), який є найбільш вивченим НРК . Для відокремлення колективних рухів молекул різних типів задавались різні ориєнтації директора n відносно підкладок препарату, а також напрямки векторів поляризації падаючого та розсіяного променів Pi і Ps.

Кореляційні функції другого порядку для поперечних флуктуацій директора при температурах порядка на 20К нижче точки фазового перетворення TNI є експонентами, що свідчить про гаусову статистику поля. Відповідні значення моменту M3() розсіяного світла зображені на рис.4 (крива 1). Ця функція є монотоно зростаючою. При наближенні температури зразка нематика до точки переходу N-I експериментальні значення g(2)() не описуються теоретичними залежностями. Поле РС на поперечних флуктуаціях директора стає негаусовим. Спотворюється також вигляд моментів кореляційних функцій інтенсивності третього порядку M3() (криві 2-5 рис.4).

Оскільки для M3() теоретичні розробки відсутні, нами був використаний випадковий фазовий екран, поле якого розраховане теоретично і ретельно перевірялось шляхом вимірювання g(2)(). Як відомо, поле розсіяного світла рухомим матовим диском з випадково розташованими розсіювачами описується гаусовою статистикою. Але коли розмір неоднорідностей стає сумірним з розміром розсіючого об'єма W, то поле є негаусовим внаслідок порушення центральної граничної теореми.

Кореляційні функції g(2)(), виміряні нами, при великій кількості розсіювачів були експонентами, а M3() монотоно зростала як і крива 1 на рис.4. При зміні розміру розсіючого об'єма W на фазовому екрані функція M3() спотворюється. Щоб знайти внесок негаусовості по мірі зменшення розсіючого об'єму при сталості всіх інших параметрів досліду від моментів M3() для негаусових полів віднімався момент для гаусового поля. Такі різниці по мірі поступового зменшення розсіючого об'ему W наведені на рис.5 (криві 6-9). З ростом відношення /W негаусовий внесок зростає.

На рис. 5 також наведені для МББА різниці між M3(), що зображені на рис.4 (криві 2-5) та M3() для гаусового поля (крива 1 рис.4). З порівнянь кривих 2-5 рис.6 для нематика та кривих 6-9 для матового диску можно зробити висновок, що при наближенні температури нематика до точки фазового перетворення N-I для поля РС поперечних флуктуацій директора порушується центральна гранична теорема і це порушення тим більше, чим менша різниця температур TNI -T. Але повної аналогії в спотворенні полів матового диску і нематика немає. На кривих 2-5 для каналів з великими часами з'являється провал.

Експериментально отримані кореляційні функції g\\(2)() для повздовжних флуктуацій параметра порядка далеко від точки фазового перетворення описуються інтегралом похибок. При наближенні до TNI ця залежність спотворюється. Для тих же полів на рис.6 наведені моменти M3\\(). На рис.7 зображена різниця між M3\\() кривими 2-5 рис.6 та M3\\() кривої 1 рис.6. З рис.7 видно, що для полів РС на повздовжних флуктуаціях параметра порядка МББА при наближенні до точки фазового перетворення зміни моментів M3\\() збільшуються, але суттєво відрізняються від значень для M3(). Отже, досліди з МББА показали, що далеко від точки фазового перетворення N-I поле світла розсіянного поперечними флуктуаціями директора є гаусовим, але гаусова статистика порушується з наближенням до TNI. Для поля РС на повздовжних флуктуаціях його статистика не є гаусовою і вона змінюється при наближенні до TNI.

Вплив геометричного обмеження на динаміку рухів визначався варїруванням товщини шару нематика, а також вибіром напрямку коливань повздовж та перпендикулярно підкладці. На рис.8 наведені характерні часи c в залежності від температури, що здобуті по вимірам g(2)() інтенсивностей розсіяного світла на поперечних флуктуаціях директора для товщини препарату 10 мкм (криві 1, 2) та 50 мкм (крива 3). Криві 1 та 3 зняті при одній геометрії досліду, де директор мав планарну орієнтацію. З графіків видно, що з зменшенням товщини препарату більш явно проявляється залежність молекулярних рухів від температури. При наближенні до точки фазового перетворення на кривих видно різке зростання характерних часів. В цих дослідах відбувається розсіяння світла на коливаннях n, що паралельні та перпендикулярні поверхні підкладки, тобто реєструються флуктуації, що мали б відчувати обмеженність препарату, і на які вона не впливає.

На кривій 2 рис.8 зображені характерні часи поперечних флуктуацій директора розташованого гомеотропно до поверхні. В цьому випадку поперечні коливання директора паралельні поверхні і не повинні відчувати просторової обмеженості руху. З рисунку 8 видно, що в випадку коливань n паралельно підкладці характерні часи мало змінюються з підвищенням температури, а там, де частина коливань n відбувається у напрямку перпендикулярному до поверхні підкладки, в інтервалі 25о характерний час зменшується в два рази при однаковій товщині препарату.

Згідно теоретичним роботам при критичних явищах на молекулярну динаміку впливає просторова обмеженість, коли характерний розмір системи сумірний з кореляційною довжиною. В нематичних рідких кристалах кореляційна довжина може досягати порядка 1000 молекулярних шарів. Проведені нами досліди в орієнтованих препаратах МББА товщиною 10 мкм відповідають умовам, коли кореляційна довжина сумірна з товщиною препарату. Це пояснює спостерігаємий вплив геометричного фактору на молекулярні рухи на широкому інтервалі температур. В препаратах товщиною 50 мкм вплив просторової обмеженості на сингулярні поперечні флуктуації директора майже не спостерігається.

Іншими авторами акустичною методикою вимірювалиись часи релаксації класичних флуктуацій в великих об'ємах неориєнтованої мезофази МББА. В цих роботах показано зростання характерних часів при збільшенні температури мезофази. Получене нами зменшення с з підвищенням температури спостерігались для сингулярних поперечних флуктуацій директора в орієнтованих і обмежених шарах нематика. Ці результати якісно узгоджуються з теоретичними розробками по впливу геометричного фактору на молекулярну динаміку. Таким чином, із наявності впливу обмеженості на характерні часи колективних рухів випливає критичний характер флуктуацій директора НРК на протязі всієї мезофази.

Температурна поведінка повздовжних флуктуацій параметра порядка складна і менш однозначна. Вони частково обумовлені поперечними флуктуаціями директора і цим можна пояснити вплив на них просторової обмеженості, коли повздовжні флуктуації паралельні підкладці, а поперечні - перпендикулярні. Крім того, розсіяне світло на повздовжних флуктуаціях параметра порядка має меншу інтенсивність, що призводить до більших похибок при вимірюванні..

ВИСНОВКИ

1.Запропоновано спосіб і побудовано корелометр для отримання кореляційних функцій другого порядку і моментів КФ старших порядків розсіяного світла при одноточковій реєстрації на базі одних і тих же даних, що досягається безпосереднім перетворенням часу між фотовідліками в код і накопиченням сум розподілів різних проміжків часу. Тестування корелометра на модельних об'єктах показало, що кореляційні функції другого порядку та моменти кореляційних функцій третього порядку адекватно відображають спектральний склад електромагнітного поля як гаусової так і негаусової статистик. Корелометр може працювати з слабкими світловими потоками порядка 500 фотовідліків за секунду.

2. Вперше отримані моменти кореляційних функцій третього порядку M3() є монотоно зростаючими функціями для полів з гаусовою статистикою і спотворюються з появою негаусовості. Момент M3() більш чутливий до негаусового внеску ніж кореляційні функції другого порядку.

3. Колективний рух анізотропних молекул в мезофазі МББА, орієнтованих в тонких шарах підкладкою, має складний характер. Статистика поля повздовжних флуктуацій параметра порядка не є гаусовою на протязі всього температурного інтервалу мезофази. Статистика поперечних флуктуацій директора - гаусова далеко від точки фазового перетворення N-I, але при наближенні до неї заздалегідь з'являється негаусовий внесок, обумовлений порушенням центральної граничної теореми.

4. Колективні рухи поперечних флуктуацій директора S-моди мають сингулярний характер на протязі всієї мезофази. Про це свідчить вплив геометричної обмеженості препарату на молекулярну динаміку МББА: характерні часи флуктуацій директора при напрямку коливань паралельних підкладці не залежать від температури, а для коливань перпендикулярних до підкладки круто спадають. Отже, перехід N-I має ознаки фазового перетворення другого роду.

5. Перемішування при певних Re пересичених водних розчинів винної кислоти призводить до зростання по експоненціальному закону від часу перемішування рівня гетерогених флуктуацій концентрації в латентному періоді заздалегідь до початку кристалізації. В ненасичених розчинах рівень флуктуацій не змінюється.

6. Показано, що в водних розчинах винної кислоти в процесах росту асоціатів при перемішуванні суттєву роль відіграє гідродинамічна дифузія. В розчинах не спостерігається якогось певного переважного розміру, що свідчить про відсутність процесу дроблення кристалів при перемішуванні.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.В.Г.Заремба, Г.І.Салістра, В.Я.Гоцульський, В.Е.Чєчко Визначення моментв старших кореляційних функцій електромагнітних полів при одоточковій реєстрації//Український фізичний журнал. 1995, Т.40. №6. с.638-639.

2. В.Я.Гоцульский, В.Е.Чечко, В.Г.Заремба. Коррелометр для случайных импульсных сигналов//ПТЭ, 1997, №2, с.161-162.

3.В.Я.Гоцульський. Кореляцiйна спектороскопiя рiдких кристалiв поблизу точки фазового перетворення//УФЖ, 1999, №4, т.44, с.464-467.

4. Гоцульский В.Я., Заремба В.Г. Корреляционная спектроскопия пересыщенных растворов// Оптическая спектроскопия: Сб. науч. трудов- К.:АН Украины. Ин-т физики, 1993, с.280-283.

5.В.Г.Заремба, В.Я.Гоцульский. Начальные стадии кристаллизации в растворах при внешнем воздействии.//Материалы Всесоюзного семинара по теории и практике кристаллизации, 26-27 мая 1989, Брянск, Научный Совет АН СССР по проблеме “Теоретические основы химической технологии”, с.50-53.

6. В.Я.Гоцульский. Корреляционная спектроскопия жидких кристаллов вблизи точки фазового превращения// XIII Нацiональний школа-семiнар з мiжнародною участю "Спектроскопiя молекул та кристалiв", Суми, 20-26 квiтня 1997 р., с.146 (тези доповiдей).

7. Заремба В.Г., Сидоров В.И., Гоцульский В.Я. Создание комплексной методики дистанционного исследования аэрозольных частиц в атмосфере, основанной на светорассеянии// Проблемы и опыт охраны окружающей среды в республике (тез. доклада) Вып. 3.-К.:Укр. НИИТИ,1990.

8.V.G.Zaremba, V.Ya.Gotsulsky, V.Ye.Chechko. Strukturization of water solutions of tartic acid under stirring/ International Conference "Special problems in physics of liquids", May 31-June 4, 1999, Odessa, p.150.

9.V.Ya.Gotsulsky,V.G.Zaremba, V.Ye.Chechko. Space limitation influence on molecelar movement in nematic liquid cristals/ XIV International school-seminar “Spectroscopy of Molecules and Crystals” (7-12 June, 1999, Odessa),p.272.

10.V.G.Zaremba, V.Ya. Gotsulskiy, V.E. Chechko. Measurement of Average Size of Emulsion Particle and Flow Velocity / Book of Abstracts of <Physical Problems of Natural Water Ecology> conference.- 1998, Sept. 14-15, Szczecin, Poland, p.17.

11. В.Я.Гоцульський, В.Г.Заремба, В.Е.Чечко,. Корреляційна спектроскопія колективного руху молекул в конденсованих середовищах//XII Республіканський школа-семiнар "Спектроскопiя молекул та кристалiв", Ніжин, 3-8 липня 1995 р., с.85 (тези доповiдей).

Размещено на Allbest.ru