| Abstract: | Głównym celem prowadzonych badań było zweryfikowanie hipotezy o istnieniu fazy typu de Vries i poszukiwanie istotnych informacji na temat natury zjawisk zachodzących w pochylonych fazach smektycznych ciekłych kryształów. Analiza uporządkowania orientacyjnego smektycznych ciekłych kryształów o własnościach antyferroi ferroelektrycznych była oparta na wynikach uzyskanych metodami optycznymi,
elektrooptycznymi oraz spektroskopii podczerwieni i spektroskopii dielektrycznej.
Dzięki temu, że badania przeprowadzono dla szeregu homologicznego można było dokonać oceny wpływu długości łańcucha alkilowego oraz wpływu podstawienia mezogenu na dynamikę molekuł. Określono szereg parametrów opisujących i charakteryzujących anizotropowe właściwości fizyczne badanych substancji.
W części eksperymentalnej pracy, dla sześciu substancji szeregu homologicznego
przygotowano próbki o różnych orientacjach (planarnej, homeotropowej) i o różnej grubości.
Dla próbek o orientacji planarnej zmierzono anizotropię dielektryczną, dwójłomność
optyczną, współczynnik załamania, kąt pochylenia i polaryzację spontaniczną. Dla próbek
o orientacji homeotropowej wykonano pomiary w podczerwieni. Badania rozpoczęto
od obserwacji tekstur i na tej podstawie określono wstępne diagramy fazowe badanych
substancji. Na podstawie pozostałych pomiarów uzupełniono szczegóły diagramów
fazowych, zidentyfikowano fazy oraz uzyskano cenne informacje na temat charakteru przejść
fazowych, (rysunek 5.1)
W ramach pracy wykonano badania optyczne i elektrooptyczne, wyznaczając:
dwójłomność optyczną, długości skoku struktury śrubowej dla wszystkich badanych
materiałów. Pomiary kąta pochylenia molekuł w warstwie smektycznej pozwoliły wyznaczyć
temperaturę krytyczną przejścia pomiędzy fazą paraelektryczną i pochyloną fazą ferro- bądź
antyferroelektryczną. Temperaturowa zależność badanej polaryzacji spontanicznej pozwoliła
uzyskać komplementarne informacje do pomiarów kąta pochylenia. Wyznaczono temperaturę
krytyczną, określano charakter przejścia i zidentyfikowano obserwowane fazy pochylone. Istotnym etapem pracy była analiza dynamiki molekuł w procesach kolektywnych i molekularnych. Dla badanych związków ciekłokrystalicznych zmierzono relaksację dielektryczną w szerokim zakresie niskich częstotliwości. Zaobserwowano cztery mody, wyznaczono dekrementy i czasy. Wyznaczono wielkości charakteryzujące ruchy kolektywne i ruchy molekularne. Poza charakterystycznym modem miękkim i modem molekularnym
(reorientacją wokół osi krótkiej molekuły) w widmie dielektrycznym obserwowano silne
mody Goldstone'a ferro-, ferri- i antyferroelektryczne. Zmiany odpowiedzi dielektrycznej
pozwalały równocześnie określać temperatury przejść fazowych badanych substancji.
Analizując wykresy odwrotności inkrementu dielektrycznego i częstości krytycznej, ustalano
temperaturę przejścia Tc w pomiarach dielektrycznych. Uzyskane wyniki analizowano,
posługując się formalizmem fenomenologicznego modelu Landau'a.
Wyniki pomiarów optycznych (temperaturowa zależność skoku helisy),
elektrooptycznych (temperaturowych zależności polaryzacji spontanicznej i kąta pochylenia)
oraz wyniki pomiarów relaksacji dielektrycznej pozwoliły wyznaczyć szereg parametrów
rozwinięcia gęstości energii swobodnej i określić makroskopowe właściwości próbek
ciekłokrystalicznych.
Zbadano uporządkowanie orientacyjne molekuł, wykorzystując metodę spektroskopii
podczerwieni. Ta część badań obejmowała wykonanie pomiarów absorbancji pasm
wybranych drgań normalnych, a następnie analizę ich zależności od temperatury dla próbek różnym sposobie uporządkowania, jak również poddanych działaniu pola magnetycznego.
Wyznaczone zostały parametry uporządkowania orientacyjnego molekuł, parametr S określający uporządkowanie długich osi molekuł oraz parametr D określający dwuosiowość
uporządkowania osi krótkich molekuł. Szczególnie istotne było wyznaczenie parametru
dwuosiowości, gdyż jak się okazało, ma on decydujący wpływ na wartość spontanicznej
polaryzacji w fazach pochylonych. Ze względu na konieczność właściwego przypisania
1 interpretacji widm wibracyjnych molekuł wykonano modelowanie struktury molekuł
i wyznaczono dla nich symulowane widma wibracyjne. Dla bardziej skomplikowanych
układów poprawna analiza częstości i intensywności pasm nie byłaby możliwa bez symulacji.
Do symulacji struktury zastosowano metodę funkcjonału gęstości (DFT) w dyfuzyjnej bazie
funkcyjnej. Dla symulowanych struktur wyznaczono dodatkowo niektóre anizotropowe
właściwości molekularne m.in. polaryzowalności i trwałe momenty dipolowe molekuł.
Ważny aspekt pracy stanowi analiza pomiarów grubości warstwy smektycznej
wykonanych metodą rozpraszania rentgenowskiego. Pomiary te potwierdzają przynależność
badanych związków do klasy smektyków typu de Vries. Na fakt ten wskazuje również niski
parametr porządku w fazie SmA* (rzędu 0.4 - 0.5) świadczący o znacznym pochyleniu
molekuł w tej fazie.
Badania przedstawione w pracy dały możliwość wyznaczenia makroskopowych
właściwości substancji ciekłokrystalicznych. Pozwoliły zidentyfikować i uzupełnić o dodatkowe fazy antyferroelektryczne diagramy fazowe. Badane związki posiadają pochylone fazy smektyczne ferro- i antyferroelektryczne, które są bardzo obiecujące dla nowej generacji szybkich wyświetlaczy elektrooptycznych, a także różnych aplikacji związanych z przełącznikami optycznymi. Badane w ramach pracy materiały ciekłokrystaliczne wykazują duży odwrotny efekt piezoelektryczny (ELC), co jest typową cechą substancji posiadających fazę typu de Yries. |