تحصيلات تکميلي

نام و نام خانوادگي : سعيده شعاري نژاد

دانشكده : علوم

استاد راهنما : دکتر محمدعلي شاهزمانيان

تاريخ دفاع : 21/9/86

رشته و گرايش : فيزيک-حالت جامد

استاد مشاور : دکتر علي قنادزاده گيلاني

گذار فردريكز در آميخته بلورهاي مايع نماتيك، كلوئيدها و ذرات نانو

چكيده

بلورهاي مايع مواد ناهمسانگرد با نظم سمتگيري بلند برد هستند كه نظم مكاني دوربرد در آنها مختل گشته است طوري كه فقط مي توانند در يك يا دو بعد نظم مكاني دوربرد داشته باشند. بر اين اساس بلورهاي مايع مي توانند داراي فازهاي مختلف، ميان فازهاي جامد ومايع معمولي باشند. نظم در بلورهاي مايع توسط يك بردار واحد به نام بردار جهت نما توصيف مي گردد. فاز نماتيك ساده ترين فاز بلورهاي مايع با كاربرد هاي بسيار وسيع مي باشد که داراي مولکول هاي ميله اي شکل با ابعادي از مرتبه 20 Å در طول و 5 Å عرض مي باشند. از خواص بسيار جالب بلورهاي مايع نماتيك گذار فردريكز است كه مي تواند طبيعت تغيير شكل هاي كشسان و خواص چنگ زدگي در بلورهاي مايع را مشخص كند . از اين نظر گذار فردريكز در سلول هاي بلور مايع نماتيك تا كنون موضوع بسياري از كارهاي تجربي و نظري بوده است.

در اين رساله ما پس از معرفي فازهاي مختلف بلور مايع، برخي خواص فيزيكي بلورهاي مايع نماتيك را به اختصار شرح مي دهيم. با ارائه اصول كلي مربوط به اين فاز از مواد، به بررسي گذار فردريكز در وضعيت هاي يك و دو بعدي مي پردازيم. توزيع جهت نما و تغييرات آن را تعيين نموده اثر برخي پارامترهاي فيزيكي و شرايط مختلف را مورد مطالعه قرار مي دهيم. پس از به دست آوردن معادلات نماتوديناميك و كمينه كردن انرژي آزاد كل، ديناميك گذار فردريكز را براي دو مورد بررسي مي كنيم : 1- در ناحيه تغيير شكل هاي كوچك بافت ميداني جهت نما، 2- در ناحيه اي كه ميدان خارجي اعمال شده خيلي بزرگتر از ميدان بحراني باشد. در مورد دوم گراديان سرعت زاويه اي جهت نما به توليد حرکت برگشتي در شاره منجر مي شود. در اين مورد علاوه بر تعيين تغييرشكل هاي حاصل در بافت ميداني، توزيع سرعت جهت نما را به دست آورده اثر شار هيدروديناميکي ايجاد شده ضمن چرخش جهت نما را مورد بررسي قرار مي دهيم. نشان مي دهيم كه بيشترين اثر حرکت برگشتي در لايه مياني تيغه ها مي باشد. اين محاسبات در چارچوب نظريه اريكسون-لزلي انجام مي شوند. نتايج حاصل سازگاري خوبي با نتايج تجربي نشان مي دهند. همچنين اثر چنگ زدگي هاي متناهي را با انجام محاسبات براي بلورهاي مايع نماتيك كايرال مورد مطالعه قرار داده ايم.

پس از بررسي الگوهاي سمتگيري، تغييير شكل هاي ايجاد شده و ديناميك بلور هاي مايع خالص در چارچوب بررسي گذار فردريكز، با وارد كردن ذرات ميهمان به عنوان ناخالصي به مطالعه و بررسي بلورهاي مايع نماتيك آميخته به ذرات ميهمان مي پردازيم . اين موضوع را در قسمت دوم رساله مورد بررسي قرار داده ايم. ابتدا اثر حضور ذرات كلوئيدي با شرايط چنگ زدگي و بافت هاي ميداني ايجاد شده مختلف در محيط هاي نماتيك را، در تشابه با الكتروستاتيك براي مورد تك ذره اي، شرح مي دهيم. بر اين اساس با ارائه توابع پتانسيل برهم كنشي، تغييرشكل ها و نيروهاي مؤثر كشساني براي موارد دو ذره اي به دست مي آيند. پيچيدگي هاي ناشي از طبيعت غيرخطي ، وجود عيوب توپولوژيكي و بر هم كنش هاي ناهمسانگرد بررسي ديناميك چنين تركيباتي را بسيار مشكل مي سازد. ما بر اساس برخي مشاهدات و نتايج تجربي به دست آمده تقريب هايي را به منظور حل ديناميك دو ذره وارد شده در محيط بلور مايع نماتيك به كار مي بريم. بر پايه معادلات نماتوديناميكي اريكسون-لزلي و نيروهاي مقاوم استوكس در يك محيط نماتيك ، نيروهاي چسبندگي را محاسبه مي كنيم. سپس با در نظر گرفتن نيروهاي كشساني و چسبندگي به عنوان تنها نيروهاي مؤثر، به حل تقريبي مسئله پرداخته و مسير حركت يك ذره كلوئيدي در حلال نماتيك را به دست مي آوريم . نشان مي دهيم كه نتايج به دست آمده توافق بسيار خوبي با نتايج حاصل از روش هاي تجربي دارند. ابعاد ذرات كلوئيدي را مي توانيم بين 1 μ تا 10 nm در نظر بگيريم. در اين بخش ذرات كلوئيدي وارد شده را كروي در نظر گرفته، اثر حضور آنها و برهم كنش هاي بسيار قوي ناشي از سمتگيري ميدان جهت نما را در محيط ناهمسانگرد مي بينيم . با اين بينش در بخش ديگر به مطالعه اثر حضور ذراتي با ابعاد و ساختارهاي مولكولي هماهنگ با ساختار مولكولي بلور هاي مايع پرداختيم. با وارد كردن رنگينه هاي دورنگ نما با ساختارهاي مولكولي بلند اما متفاوت ، پارامتر نظم و نسبت هاي دورنگ نمايي كه به طور تجربي به دست آمدند، را با نتايح مربوط به ميزبان هاي همسانگرد و برخي محيط هاي ديگر مقايسه نموده و نشان داديم كه در حضور رنگينه ها نيز خواص سمتگيري بلورهاي مايع شديدا تحت تاثير ساختار مولكولي آنها قرار مي گيرد كه نشاندهنده برهم كنش هاي قوي ميان ميزبان بلور مايع و مولكول هاي رنگينه است. اما در اين مورد اختلال ايجاد شده در نظم بلوري مي تواند بسته به ميزان هماهنگي رنگينه با بلور مايع از نظر ساختاري، شكل و اندازه، كوچك بوده و رنگينه بدون از هم پاشيدن نظم بلور مايع با آن تركيب شود.

كليد واژه ها: گذار فردريكز، نماتيك، نماتوديناميك، كلوئيد، رنگينه