КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 14-12-00475

НазваниеИзучение структуры и полярных свойств тонких жидкокристаллических пленок.

РуководительКац Ефим Иосифович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической физики им. Л.Д. Ландау Российской академии наук, Московская обл

Годы выполнения при поддержке РНФ 2014 - 2016 

КонкурсКонкурс 2014 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-205 - Сегнетоэлектрики, диэлектрики, жидкие кристаллы

Ключевые словажидкие кристаллы, пленки, полярные структуры, фазовые диаграммы, гексатики, рентгеновское рассеяние, неоднородные состояния, дефекты.

Код ГРНТИ29.19.35


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Мотивация и актуальность этого проекта связана с тем обстоятельством, что благодаря накопленному в последние годы экспериментальному материалу и многочисленным теоретическим работам, физика тонких пленок (в том числе и сегнетоэлектрических и жидкокристаллических) входит в новый этап. На этом этапе качество и методы теоретических, численных и экспериментальных исследований (а также характеризация материалов тонких пленок) должна сравняться с таковыми достигнутыми во 2-ой половине 20-ого века для массивных (трехмерных) систем и образцов, используемых в электронной технике. Разумеется эта общая и обширная программа разбивается на ряд более конкретных задач, которыми мы и планируем заниматься в рамках данного проекта. Речь идет о пленках новых жидкокристалличеких материалов, обладающих комбинацией двух или более типов упорядоченности (и соответственно физических свойств, то есть мультифункциональных материалов). Такие системы весьма перспективны как для дальнейшего развития фундаментальной науки и фундаментального знания о конденсированных средах, так и для приложений (от ячеек памяти с многобитовой записью, до различного рода биофизичеких сенсоров). В качестве первой и важной задачи в этом направлении, предполагается изучить с помощью микроскопических методов исследования (включая рентгеновское рассеяние) пленки киральных, гексатических и других мулти-упорядоченных жидких кристаллов или более сложных много-слойных структур. Далее мы планируем наработанный за 1-ый год опыт и результаты применить для разрешения активно дебатируемого в мировой литературе (и практически не обсуждаемого в отечественной науке) вопроса о структурах образуемых молекулами удлиненной (но не стержнеобразной или дискообразной формы). В англоязычной литературе такие молекулы называются bent-core или banana-like. Сами по себе такие молекулы зеркально симметричные (то есть акиральные) однако в определенной области температур, ниже точки фазового перехода в обычную однородную нематическую фазу, в таких системах экспериментально наблюдаются спирально закрученные (то есть киральные) структуры. По-видимому (этот вопрос мы тоже собираемся прояснить в процессе работы над проектом) имеет место довольно редкое в природе явление - спонтанное нарушение право-левой симметрии (киральности). Если такой переход сопровождается также понижением вращательной симметрии системы до симметрии допускающей полярные оси, то возможно образование различного рода (собственных и несобственных) сегнетоэлектрических структур. Сочетание геометрических (тонкие пленки) и физических (мягкий сегнетоэлетрический или жидкокристаллический порядок) факторов, позволяет ожидать от результатов нашей работы, как перспективных и интересных приложений таких пленок, так и богатой фундаментальной физики, например, далеко идущих аналогий с явлениями в физике высоких энергий. Изучение (численное моделирование или аналитическая теория) таких сложных систем невозможно без информации о деталях расположения молекул и существенных корреляциях. Поэтому важной составляющей нашего проекта является изучение ближнего порядка и угловых корреляций в органических жидкостях и жидких кристаллах, образованных сложными молекулами. В качестве модельного объекта для исследования этих эффектов мы собираемся использовать гексатические жидкие кристаллы. Эти материалы характеризуются ближним позиционным порядком в плоскости слоев и дальним порядком в ориентации связей (bond orientational order). Для получения информации об угловых корреляциях в системе мы собираемся использовать угловой рентгеновский кросс-корреляционный анализ. Этот метод хорошо зарекомендовал себя при исследовании таких систем, как коллоидные кристаллы. В нашем исследовании мы ставим гораздо более амбициозную задачу - исследование угловых корреляции в жидких кристаллах на молекулярном уровне. Предполагается провести корреляционный анализ двумерных дифракционных картин рассеяния от упорядоченных пленок гексатиков с целью определения ориентационных параметров, характеризующих порядок в ориентации связей в гексатических ЖК. Одновременно будет проводится работа по созданию теоретической модели гексатической фазы и фазового перехода гексатик-смектик. Ожидается, что совместные усилия приведут к пониманию природы гексатического упорядочения в жидких кристаллах. Для любого использования пленок жидких кристаллов необходимо обеспечить стабильность их параметров. Несмотря на то, что пленки жидких кристаллов изучаются уже довольно давно, имеется ряд принципиальных, нерешенных вопросов, касающихся их термической стабильности. Совершенно неясен, например, механизм локального утолщения смектических пленок под действием локального нагрева, и динамика этого процесса. В рамках данного проекта предполагается создание теории, объясняющей эти процессы. Планируется также проведение экспериментов (оптических и рентгеновских) по измерению утолщения пленок под действием локального нагрева.

Ожидаемые результаты
В качестве результатов 1-ого года работы над проектом, мы ожидаем провести анализ структуры и поведения жидко-кристаллических пленок и массивных образцов (в том числе и сегнетоэлектрических пленок во внешнем электрическом поле). Для новых типов жидких кристаллов, состоящих из "банано-подобных" молекул, на первом этапе мы надеемся найти фазовую диаграмму в приближении среднего поля и сравнить предсказания такой теории с существующими экспериментальными данными. Продолжение проекта позволит нам учесть также флуктуационные эффекты (особенно важные вблизи точек непрерывных или слабо 1-ого рода фазовых переходов) и предсказать температурное поведение упругих модулей, флексо-электрических коэффициентов, вязкости и других важнейших физических характеристик материалов. Разумеется нельзя исключить, что в процессе выполнения проекта возникнут новые вопросы, потребующие дополнительного анализа используемых модельных представлений и приближений. Мы надеемся, что имеющийся в нашем коллективе опыт теоретических и экспериментальных исследований позволит нам справиться и с такими в настоящее время еще не сформулированными проблемами. Сказанное выше в аннотации проекта позволяет нам утверждать, что цель нашего проекта абсолютно инновационная как для отечественной, так и в большой мере для мировой науки. Поэтому, практически по определению, ожидаемые результаты будут на самом современном уровне мировой науки и, следовательно, имеют все шансы быть опубликованными в ведущих по физической науке журналах. Наш проект нацелен в основном на чисто фундаментальное научное исследование. Поэтому на данном этапе говорить о конкретных применениях или внедрениях предполагаемых результатов в технологию или материаловедение, было бы не совсем корректно. Однако нет никаких сомнений , что как сегнетоэлектрические, так и жидкокристаллические характеристики и свойства тонких пленок, делают эти объекты потенциально очень перспективными и для электроники как таковой и для различного рода биофизических приложений. Мы уверены, что фундаментальная наука хорошего уровня обязательно раньше или позже найдет свои приложения, поэтому важно судить именно уровень нашего проекта. В 2014 году мы планируем провести систематические рентгеновские исследования гексатической фазы для ряда жидких кристаллов с использованием углового рентгеновского кросс-корреляционного анализа. Предполагается провести корреляционный анализ двумерных дифракционных картин рассеяния и определить величины ориентационных параметров, характеризующих порядок в ориентации связей в гексатических ЖК. Использование методов углового рентгеновского кросс-корреляционного анализа позволяет выйти на новый уровень в изучении ближнего порядка и угловых корреляций в сложных молекулярных системах. Предлагаемые нами эксперименты и теоретические разработки находятся на самой передовой линии в рентгеновских исследованиях конденсированных сред и позволяют получить уникальные данные для понимания физики и ряда материальных свойств жидких кристаллов. В это же время наша группа предполагает построить общую термодинамическую модель свободно подвешенной смектической пленки, позволяющую объяснить как дискретное (послойное) утоньшение пленок, перегретых выше температуры перехода из смектической в нематическую фазу, так и утолщение пленок при локальном нагреве. В рамках построенной модели мы рассчитываем обосновать теоретически саму возможность формирования свободно подвешенных смектических пленок и объяснить наблюдаемую форму мениска, связывающего пленку с объемным резервуаром. По результатам исследований предполагается опубликовать серию статей в ведущих отечественных (Письма в ЖЭТФ, ЖЭТФ ) и зарубежных (Phys.Rev.E, Eur. Phys. J. E) физических журналах, а в 2015 – 2016 годах представить общий обзор по вопросам термической устойчивости пленок.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2014 году
1. Нами предложена новая модель для недавно открытого нового типа жидких кристаллов (с коническим спиральным упорядочением в нанометровом диапазоне). Эти новые жидкие кристаллы образуются из молекул изогнутой формы (банано-образных) или димеров, в которых две жесткие мезогенные части соединены гибкой цепочкой. Такой тип жидкого кристалла обозначается N_TB. Мы показали, что для описания N_TB жидких кристаллов необходимо введение двух параметров порядка, длинноволнового (обычного нематического директора) и коротко-волнового неоднородного на нано-метровом масштабе. Наша теория позволяет избежать не физической отрицательно определенной упругой энергии, обсуждавшейся в предыдущих работах на эту тему. Нано-метровая спиральная структура N_TB жидких кристаллов (нарушающая киральную симметрию обычных нематических жидких кристаллов), возникает не в результате молекулярной киральности частиц, из которых построен жидкий кристалл, а спонтанно, то есть как результат фазового перехода. Нами предсказана новая мягкая Голдстоуновская мода, возникающая как результат этого спонтанного нарушения симметрии. Обнаружение такой моды (например по рассеянию света) было бы однозначным доказательством спиральной структуры N_TB, которая все еще дебатируется в литературе. 2. Мы описали метод работы с ультра-фиолетовыми расходимостями в любой длинноволновой теории поля используемой для описания различных задач (фазовые переходы, транспорт, динамика, флуктуационные эффекты). Эти ультра-фиолетово расходящиеся вклады в любые физические характеристики не могут быть корректно вычислены в рамках длинноволновых макроскопических теорий. Поэтому оценки этих расходящихся вкладов с использованием той или иной обрезки расходящихся интегралов (а тем более физические следствия из таких оценок) могут (и часто ведут) к неправильным качественно и количественно результатам. Правильная процедура описанная в нашей работе, заключается во включении этих ультра-фиолетово расходящихся вкладов в переопределение коэффициентов затравочного длинноволнового функционала энергии или действия. 3. Изучены (теоретически и экспериментально) возможные химические (хелатные нано-мостики) и физические (добавление поляризуемых нано частиц золота) методы для создания необычных жестких холестерических структур ДНК качественно отличающихся от обычных холестериков, образуемых в низко-молекулярных соединениях. Мы представили качественную теоретическую интерпретацию для нового состояния жидкого кристалла, образованного ДНК молекулами и нано-частицами золота. Обсуждаются возможные механизмы взаимодействия между ДНК молекулами индуцированные поляризацией наночастиц золота (силы Кезома, Ван дер Ваальса) и энтропийные эффекты. 4. Экспериментально изучены эффекты переключения спонтанной поляризации в хиральном сегнетоэлектрическом жидком кристалле (ЖК), регистрируемые с помощью пироэлектрического эффекта. Рассмотрены различные геометрии пироэлектрического эксперимента. Показано, что переключение спонтанной поляризации в хиральных ЖК сегнетоэлектриках в поперечной геометрии происходит при более мягких условиях, чем в продольной геометрии. Показано, что при считывании информации в пироэлектрическом эффекте состояние поляризации не разрушается, а для изменения направления поляризации требуется рекордно малое количество энергии. Это позволяет использовать эффект бистабильности в сегнетоэлектрическом ЖК в поперечной геометрии в устройствах энергонезависимой памяти. 5. Проведены рентгеновские дифракционные исследования свободно подвешенных пленок пленок жидкого кристалла 3(10)OBC в окрестности фазового перехода гексатик – смектик. Измерения проводились на источнике синхротронного излучения PETRA III в DESY (Гамбург, Германия), станция P10. Нами обнаружена пространственная неоднородность ориентационных параметров, характеризующих порядок в ориентации связей, в окрестности фазового перехода гексатик-смектик. При дальнейшем понижении температуры мы наблюдали формирование гексатических доменов с размерами порядка нескольких десятков микрон. В гексатической фазе жидкого кристалла 3(10)OBC методами углового рентгеновского кросс-корреляционного анализа удалось определить до 25 последовательных Фурье компонент, характеризующих порядок в ориентации связей. Определена температурная зависимость позиционной корреляционной длины в плоскости гексатических и смектических слоев. Получены данные по температурным зависимостям величин ориентационных параметров C6m (m = 1 ÷ 25) , характеризующих порядок в ориентации связей, в окрестности фазового перехода из смектической в гексатическую фазу. 6. На основе мультикритической скэйлинговой теории (MCST) проанализировано поведение ориентационных параметров различного порядка в гексатической фазе жидкого кристалла 3(10)OBC . Подтверждена применимость мультикритической теории для описания порядка в ориентации связей во всем интервале существования гексатической фазы в этом соединении. Благодаря обнаружению многочисленных гармоник, удалось найти величину поправочного члена первого порядка к скэйлинговым соотношениям, который ранее экспериментально не определялся. Мы также обнаружили, что для ориентационных параметров C6m высокого порядка (m ≥ 20) наблюдается небольшое, но систематическое отклонение измеренных скэйлинговых параметров от результатов аппроксимации. Это указывает на существование малого квадратичного по m поправочного члена, который может быть получен в рамках улучшенной теории MCST. 7. Предложен простой и надёжный способ определения коэффициента линейной поляризации Р для дифрактометров с двумерными детекторами, используемыми на источниках синхротронного излучения, позволяющий обойтись без специальных (и дорогостоящих) поляриметров. Введение поправок на поляризацию необходимо для прецизионных измерений интенсивностей рассеяния исследуемых объектов. Данный подход также позволяет проконтролировать дифференциальную неоднородность по площади детектора. 8. Нами разработан общий термодинамический подход для описания устойчивости свободно подвешенных смектических пленок (СПСП), позволяющий объяснить различные толщинные неустойчивости в СПСП. Мы учли в свободной энергии смектической пленки дополнительные вклады, обусловленные отклонением средней плотности от начального равновесного значения за счет внешнего воздействия, роль которого выполняет нагрев пленки. В рамках предложенного подхода нам удалось объяснить как дискретное (послойное) утоньшение пленок, перегретых выше температуры перехода из смектической в нематическую фазу, так и локальное утолщение пленок в области термической стабильности смектической фазы. 9. Мы установили, что при перегреве смектических пленок вследствие теплового расширения возникает дополнительная растягивающая сила, действующая по нормали к свободным поверхностям, ограничивающим СПСП. Свободная энергия СПСП, перегретой выше температуры перехода из смектической в нематическую фазу, имеет осцилляторный характер, благодаря чему при перегреве равновесное значение толщины пленки непрерывно сдвигается в направлении верхней границы соответствующей разрешенной зоны. В этой точке баланс растягивающей и упругой сил нарушается, что ведет к потери механической устойчивости пленки, восстановление которой возможно как результат спонтанного утоньшения перегретой СПСП. Утоньшение СПСП осуществляется за счет нуклеации и разрастания дислокационных петель вблизи критических точек потери механической устойчивости СПСП. Нами были определены термодинамические условия для последовательности слоевых переходов, выведено выражение для огибающей реальных слоевых переходов, оценены характерные скорости и времена роста дислокационной петли в случае переходов утоньшения. 10. Дано теоретическое объяснение явления локального утолщения СПСП, которое имеет место в температурном интервале, соответствующем объемной смектической фазе жидкого кристалла. Мы показали, что локальный нагрев СПСП приводит к изменению средней плотности вещества в пленке и появлению дополнительных растягивающих напряжений. Мы показали, что при достаточно сильном локальном нагреве (но не настолько сильном, чтобы вызвать переход в нематическую или изотропную фазу) нуклеация и разрастание дислокационных петель избыточных смектических слоев в СПСП в области нагрева становится энергетически выгодными. Это ведет к локальному утолщению пленки на много десятков слоев за счет подвода вещества из мениска, соединяющего пленку с ограничивающей рамкой. В терминах эффективных сил, действующих на дислокационную петлю, сделана оценка скорости разрастания дислокационной петли избыточного смектического слоя при локальном нагреве. Полученное значение скорости разрастания хорошо согласуется с экспериментом на тонких пленках. 11. В рамках предложенного подхода мы обосновали теоретически саму возможность формирования свободно подвешенных смектических пленок и описали форму мениска, связывающего пленку с объемным резервуаром.

 

Публикации

1. Евдокимов Ю.М., Салянов В.И., Скуридин С.Г., Штыкова Э.В., Хлебцов Н.Г., Хлебцов Б.Н., Кац Е.И. Физико-химический и нанотехнологический подходы к созданию твердых пространственных структур ДНК Russian Chemical Reviews (Успехи Химии), Volume 84, iss. 1, pp. 27-42 (год публикации - 2015).

2. Кац Е.И., Лебедев В.В. Comment on "Thermodynamics of quantum crystalline membranes" Physical Review B, Volume 90, 176301 (2014) (год публикации - 2014).

3. Кац Е.И., Лебедев В.В. Landau theory for helical nematic phase JETP LETTERS, Volume 100, iss. 2, pp. 110-113 (год публикации - 2014).

4. Сульянов С., Дороватовский П., Бойсен Х. A simple approach to determine the polarization coefficient at synchrotron radiation stations Journal of Applied Crystallography, Volume 47, 1449–1451 (год публикации - 2014).

5. Яблонский С.В., Боднарчук В.В., Сото-Бустаманте А.Е., Ромеро-Хаслер П.Н., Озаки М., Иошино К. Продольный и поперечный пироэлектрические эффекты в киральном сегнетоэлектрическом жидком кристалле JETP (ЖЭТФ), т. 147, вып.2 (год публикации - 2015).


Аннотация результатов, полученных в 2015 году
1. В 2015-ом году нами открыто новое и неожиданное явление - возникновение формально запрещенного в гармоническом приближении (по вращательной симметрии) вязко-подобного затухания изгибных колебаний в свободно-подвешенных смектических (а также и в гексатических) пленках (http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevE.91.032415). Это затухание возникает из-за нелокальности длинноволновых флуктуационных явлений в нелинейной динамике пленок. В свою очередь взаимодействие этой изгибной моды со звуковыми и вязкими сдвиговыми степенями свободы приводит к совершенно новым и нетривиальным флуктуационным попрвкам к законам дисперсии этих мод. В рамках наших теоретических результатов мы анализируем существующие экспериментальные и численные данные и предсказываем ряд новых явлений, связанных с нелокальностью динамического поведения жидко-кристалличеких пленок. 2. Интересным и очень важным свойством биологических мембран является возможность различного рода трансформаций их формы и топологии. Мы применили современные математические методы описания разнообразных форм, образуемых двухслойными мембранами и их преобразований. Это позволило нам провести полную классификацию всех возможных поверхностей мембран и везикул, включая сингулярные формы имеющие место при образовании пор (doi:10.1088/0031-8949/90/7/074003). Показано, что все замкнутые поверхности везикул могут быть представлены в виде разложений по небольшому количеству классов универсальности классов. Рассмотрены несколько механизмов трансформации мембранных поверхностей, с учетом того, что поверхности должны также быть экстремумами зависящего от кривизны функционала Вилмора. Наш метод основан на использовании различных конструкций минимальных поверхностей. Для так называемой процедуры удвоения рода поверхности нами произведена также оценка энергетического барьера для преобразования минимальных поверхностей мембран. Изученные нами иммерсионные преобразования поверхностей существенны для многих биологически важных процессов в клетках, в том числе, так называемое выворачивание клетки. 3. Мы изучили структурные и многие другие (например, оптические) характеристики очень сложных (и важных в биологии и ее нано физических приложениях) систем – жидких кристаллов образованных молекулами ДНК и коллоидных дисперсий сделанных из таких жидких кристаллов и нано частиц коллоидного золота (http://www.annexpublishers.com/articles/JMSN/3201-Negatively-Charged-Gold-Nanoparticles-Control-Double-Stranded-Dnas-Spatial-Packing.pdf). Для практического применения таких систем важны гидрогели ДНК. Они могут быть получены, в частности, при образовании искусственных химических "сшивок" между этими молекулами, а также за счет формирования комплексов с мультивалентными катионами, криополимеризации или под действием УФ-излучения. Гидрогели ДНК представляют собой макроскопические ансамбли из нерегулярно "сшитых", неупорядоченно расположенных в пространстве, двухцепочечных молекул, Поскольку молекулы ДНК в составе гидрогелей сохраняют многие, присущие им свойства, гидрогели могут быть использованы в качестве носителей или сорбентов различных соединений. Мы предложили и реализовали новый и более перспективный по сравнению с нерегулируемым "сшиванием" соседних молекул ДНК, метод превращения "жидких" частиц жидкокристаллической дисперсии в "твердые" (гель-подобные) частицы. Это связано с тем, что возникающие "твердые" частицы, характеризуются не только упорядоченной структурой с регулярным, пространственным расположением соседних ДНК, но и высокой реакционной способностью по отношение к химическим и биологически активным соединениям. Нами описаны основы жидкокристаллического подхода к созданию "твердых" (гель-подобных) частиц ДНК (нано конструкций ДНК). Разработан новый подход к созданию таких систем. Для этого мы вводим нано частицы золота в холестерическую жидкокристаллическую дисперсию ДНК. 4. Мы изучили свойства двухосных нематических жидких кристаллов во внешних полях (http://dx.doi.org/10.1140/epje/i2015-15080-9). Для этого следует использовать теоретические подходы, которые позволяют минимизировать многопараметрические функционалы свободной энергии. Непосредственным недостатком прямой минимизации свободной энергии (широко используемой для обычных одноосных нематиков) является необходимость разрешения несколько нелинейных условий на параметры минимизации. Чтобы преодолеть эту трудность мы предложили новый метод использующий матрицу '' угловой скорости '', которая описывает пространственные вращения параметра порядка, и задает внутреннюю кривизну текстуры. Наш метод (наше так сказать know-how) позволяет избежать явного разрешения ограничений, накладываемых на параметр порядка. Для иллюстрации нашего метода мы рассчитали критические поля, соответствующие некоторым основным конфигурациям для  текстурных переходов в двухосных нематиках. Таким образом нам удалось предсказать интересные и перспективно важные в приложениях, эффекты мультистабильности. Мы обнаружили новое явление - наличие нескольких порогов ориентационных неустойчивостей, что присуще именно двухосным жидким кристаллам. 5. Мы провели исследования сегнетоэлектрической хиральной смектической С фазы (С*), полученной в смеси нематического жидкого кристалла и хиральной немезогенной примеси. Существование смектической С* фазы в этой системе было подтверждено с помощью диэлектрических и оптических измерений, а также с использованием рентгеновского дифракционного анализа. Помещенная в электро-оптическую ячейку подобная смектическая С* фаза может течь, восстанавливая таким образом исходную сегнетоэлектрическую структуру после приложения механического напряжения. Время электрооптического отклика в исследованных смесях (30 мкс при Т=25 С в электрическом поле порядка 3В/мкм) на порядок меньше, чем в ранее известных смектических С* материалах с повышенной механической устойчивостью, вследствие крайне низкой величины вращательной вязкости. Эти свойства обеспечивают изученным сегнетоэлектрическим С* материалам хорошие перспективы для использования в дисплеях и ряде фотонных устройств. Результаты исследования опубликованы в Appl. Phys. Lett., 2015 (http://dx.doi.org/10.1063/1.4908152). 6. Использование методов углового рентгеновского кросс-корреляционного анализа позволило получить данные по температурным зависимостям величин ориентационных параметров C6m (m = 1 ÷ 25) в окрестности фазового перехода гексатик – смектик в жидком кристалле 3(10)OBC. Благодаря обнаружению многочисленных гармоник, нам впервые удалось экспериментально определить величины поправочных членов первого и второго порядка, фигурирующих в мультикритической скэйлинговой теории (MCST). Эти результаты опубликованы в Phys. Rev. E, 2015 (http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevE.91.042506). Нами продолжены рентгеновские исследования гексатической фазы в двух других жидкокристаллических соединениях (75OBC и POL) . Получены данные по температурным зависимостям величин ориентационных параметров C6m, в окрестности фазового перехода из смектической в гексатическую фазу. Вблизи фазового перехода эти зависимости для всех трех соединений хорошо описываются степенными функциями с критическим показателем для параметра порядка, определяемого для первой гармоники, бетта =0.1. Кроме того, показатели степени для гармоник следующих порядков масштабируются как степени первой гармоники с коэффициентом пропорциональности равным номеру гармоники. Это обстоятельство свидетельствует о нелинейном взаимодействии гармоник C6m различного порядка в гексатиках. По результатам исследования готовится публикация. 7. Начато изучение строения молекулярных кристаллов типа Cr B и Cr E, полученных путем охлаждения свободно подвешенных пленок гексатических жидких кристаллов ниже температуры кристаллизации. Для получения структурной информации мы использовали методы получения когерентного рентгеновского дифракционного изображения (CXDI). Исследования показали, что молекулярные кристаллы, состоят из слегка азимутально разориентированных зерен-монокристаллов, с характерными размерами 3 – 10 мкм. Для реализации схемы CXDI двумерный детектор располагался на расстоянии 5 м от образца для разрешения интерференционных спеклов вокруг Брэгговских пиков, появляющихся вследствие когерентного освещения кристаллических зерен. Идея эксперимента заключалась в получении когерентных отражений от близко расположенных и азимутально разориентированных кристаллитов, с целью получения данных об обратном пространстве кристалла в окрестности Брэгговских пиков. Для восстановления локальной структуры кристаллитов используются известные алгоритмы обратного Фурье преобразования. Оказалось, что при облучении образцов широким частично-когерентным пучком размером 30 х 40 мк интерференционные спеклы отсутствуют. При фокусировке пучка до 2 х 3 мкм соответствующие спеклы удалось наблюдать, однако вследствие высокой интенсивности падающего излучения угловая ориентация кристаллитов в образце менялась во времени. Анализ полученных дифракционных изображений и восстановление локальной структуры кристаллитов намечено на 2016 год. 8. Завершена работа над созданием общего термодинамического подхода к описанию устойчивости свободно подвешенных смектических пленок (СПСП). Наша теория позволила объяснить хорошо известные из литературы толщинные неустойчивости в СПСП и предсказала ряд новых эффектов. В частности, удалось объяснить как явление дискретного (послойного) утоньшения пленок, перегретых выше температуры перехода из смектической в нематическую фазу, так и утолщение пленок при локальном нагреве в области термической стабильности смектической фазы. Предсказано изменение формы мениска, связывающего СПСП с объемным резервуаром, при перегреве пленки. Работа опубликована в Европейском физическом журнале -Eur. Phys. J. E, 2015 (http://dx.doi.org/10.1140/epje/i2015-15013-8). 9. Изучены условия формирования капель нематической (изотропной) фазы в свободно подвешенных смектических пленках (СПСП) при их перегреве выше температуры перехода из смектической в нематическую (изотропную) фазу. Определены условия при которых зарождение дислокационных петель в перегретых СПСП оказывается невозможным, что исключает сценарий послойного дискретного утоньшения смектических пленок. Из анализа экспериментальных данных следует, что вещество для образования капель берется из окружающей их области СПСП, что указывает на неоднородное локальное утоньшение пленки вокруг капель. Используя результаты развитого нами общего термодинамического подхода для описания устойчивости СПСП, мы нашли выигрыш в свободной энергии системы, обусловленный образованием нематической капли, выражение для критической работы, необходимой для создания зародыша неупорядоченной фазы, и критические размеры капли. Мы предложили механизм дальнейшего роста капель за счет присоединения капель меньшего размера (меньше критического) под действием капиллярной силы, возникающей благодаря градиенту поверхностной энергии. На малых расстояниях между каплями становится существенной дополнительная сила притяжения (флуктуационной природы или псевдо-Казимира), которая способствует их слиянию. В настоящее время готовится публикация по результатам работы. 10. Завершена работа над объяснением явления смектического слоевания на границе изотропной жидкой фазы смектического жидкого кристалла. Показано, что квантованный (послойный) рост толщины смачивающей пленки низкотемпературной смектической А фазы непосредственно предшествует объемному фазовому переходу I-SmA, и может быть качественно понят в рамках построенной нами простой континуальной интерфейсной модели. Интерфейсный потенциал модели включает линейный по толщине смачивающей пленки член, исчезающий по мере приближения к температуре объемного перехода I-SmA, короткодействующее отталкивание интерфейса от плоской смачиваемой поверхности и периодический потенциал пиннинга I-SmA интерфейса на позициях, кратных целому числу смектических слоев, параллельных смачиваемой поверхности. Мы показали, что в рамках указанной модели все основные особенности экспериментально наблюдаемого смектического слоевания находят качественное объяснение уже в приближении среднего поля с эффективными (ренормированными вследствие учета флуктуаций шероховатости IА-интерфейса) значениями феноменологических констант. По результатам этой работы подготовлена публикация, которая приложена в сопроводительных материалах (пункт 1.6).

 

Публикации

1. Блинов В.Н., Голо В.Л., Кац Е.И. Fredericks transitions in biaxial nematics European Physics Journal E, volume 38: 80, 9 pages (год публикации - 2015).

2. Евдокимов Ю.М., Скуридин С.Г., Салянов В.И., Волков В.В., Дадинова Л.А., Компанец О.Н., Кац Е.И. О ПPОCТPАНCТВЕННОЙ ОPГАНИЗАЦИИ ДВУXЦЕПОЧЕЧНЫX МОЛЕКУЛ ДНК В XОЛЕCТЕPИЧЕCКОЙ ЖИДКОКPИCТАЛЛИЧЕCКОЙ ФАЗЕ И ЧАCТИЦАX ДИCПЕPCИИ ЭТОЙ ФАЗЫ БИОФИЗИКА, т. 60, 861-876 (год публикации - 2015).

3. Евдокимов Ю.М., Скуридин С.Г., Салянов В.И., Штыкова Э.В., Любов А.Д., Волков В.В., Хлебцов Н.Г., Комаров П.В., Кац Е.И. Negatively Charged Gold Nanoparticles «Control» Double-Stranded DNAs Spatial Packing Journal of Materials Science and Nanotechnology, Volume 3(2): 201, 12 pages (год публикации - 2015).

4. Залужный И.А., Курта Р.П., Сульянова Е.А., Горобцов О. Ю., Шабалин А.Г., Зозуля А.В., Менушенков А.П., Островкий Б.И., Вартанянц И.А. Spatially resolved x-ray studies of liquid crystals with strongly developed bond-orientational order Physical Review E, Volume 91, 042506 (год публикации - 2015).

5. Кац Е.И. Силы Ван-дер-Ваальса, Казимира и Лифшица в мягкой материи Успехи физических наук (Physics-Uspekhi (Advances in Physical Sciences)), том 185, №9, стр. 964–969 (год публикации - 2015).

6. Кац Е.И., Лебедев В.В. Nonlinear fluctuation effects in dynamics of freely suspended films. Physical Review E, volume 91, 032415-8 (год публикации - 2015).

7. Кац Е.И., Монастырский М.И. Immersed surfaces and membranes transformations Physica Scripta, volume 90, 074003-7 (год публикации - 2015).

8. Пикина Е.С., Островский Б.И., де Же В. Thinning and thickening of free-standing smectic films revisited European Physics Journal E, volume 38: 13, 22 pages (год публикации - 2015).

9. Пожидаев Е.П.,Торгова С.И., Барбашов В.A., Минченко М.В., Сульянов С.Н., Дороватовский П.В., Островский Б. И., Стригаци А. Ferroelectric C* phase induced in a nematic liquid crystal matrix by a chiral nonmesogenic dopant Applied Physics Letters, volume 106, p. 062904 (год публикации - 2015).


Аннотация результатов, полученных в 2016 году
Если суммировать кратко результаты полученные в 2016-ом году нашей группой в рамках работы над проектом, то можно выделить три основных направления: физика новых типов низко-молекулярных жидких кристаллов с тенденцией к слоевой упаковке (N_ {TB}), изучение роли квази-нематических слоев в физике макро-молекулярных жидких кристаллов, физика слоистых систем, структура и свойства пленок жидких кристаллов. Все полученные при поддержке фонда результаты нашей группы направлены в печать или уже опубликованы. А именно: 1. Приготовлены для опубликования две работы по физике новых типов N_ {TB} жидких кристаллов. Обе работы мотивированы недавними новыми экспериментальными исследованиями. В 1-ой из них мы обобщили разработанную нами же ранее (опубликованную в рамках работы над проектом, поддержанным Фондом) теорию, на случай, когда имеется прямой фазовый переход между изотропной жидкостью (I) и конической геликоидальной структурой НЖК (N_ {TB}). Показано, что возможен либо прямой I - N_ {TB} переход, или последовательность фаз I - N - N_ {TB} с классическим нематическим жидким кристаллом (N), стабильным в области между изотропной жидкостью и коническим геликоидальным НЖК. Какая из этих двух ситуаций, реализуется зависит от того, насколько силен фазовый переход первого рода из изотропной жидкости. Для очень слабого фазового перехода 1-ого рода N_ {TB} структура может иметь двухосную ориентационную симметрию. Во 2-ой работе на тему N_ {TB} структур предложен макроскопический механизм для описания микроскопического спрямления молекулярных конформаций димерных молекул, объясняющий недавние (2016 год) экспериментальные данные о наблюдении небывало большого индуцированного магнитным полем сдвига температуры фазового перехода НЖК - изотропная жидкость. Интерпретация основана на учете сингулярных продольных флуктуаций нематического параметра порядка. Приложенное внешнее поле подавляет продольные флуктуации параметра порядка. Это приводит к дополнительныму (по сравнению с теорией среднего поля) флуктуационному сдвигу температуры перехода. Новый механизм работает для любых типов НЖК, однако величина флуктуационных сдвига увеличивается с уменьшением модуля упругости Франка. Так как некоторые из этих модулей аномально малы для так называемых димерных НЖК, именно эти типы новых жидких кристаллов и являются перспективными кандидатами для наблюдения предсказанного флуктуационного сдвига температуры фазового перехода. 2. Часть работ нашей группы по физике макро-молекулярных жидких кристаллов посвящены вопросам о влиянии отрицательно заряженных наночастиц золота (нано-Au) на растворы высокой ионной силы молекул ДНК. Особое внимание уделено роли и расположению нано-частиц в пространственной структуре холестерической жидкокристаллической дисперсии, что важно для анализа различных повреждающих эффектов в клетках и мембранах. В этом же направлении сделаны работы, в которых изучены детали упаковки двухцепочечных (ДЦ) молекул ДНК в частицах ЖК дисперсий, сформированных в результате фазового исключения молекул ДНК из водно-солевых растворов. Нами впервые показано, что нагревание (!) частиц дисперсий с гексагональной упаковкой ДЦ молекул ДНК приводит к фазовому переходу в закрученную холестерическую структуру. Этот результат может быть описан при помощи представления о квазинематических слоях из ориентационно упорядоченных соседних ДЦ молекул ДНК в структуре частиц дисперсий, причем возможны два способа упаковки этих слоев, определяющие их гексагональную или холестерическую пространственную структуру (https://oatext.com/pdf/FNN-2-124%20.pdf; DOI: 10.15761/FNN.1000124) . 3. Необходимо отметить работы нашей группы, относящиеся к физике слоистых систем и пленок. Одно из основных наших достижений в этом направлении - количественное объяснение давней проблемы аномального критического поведения теплоемкости вблизи фазового перехода смектик-A-гексатический жидкий кристалл. Все существующие эксперименты показывают большой критический индекс для удельной теплоемкости (0,5-0,7), что не согласуется с маленьким и отрицательным значением индекса (-0,01), ожидаемого для трехмерных систем с двухкомпонентным параметром порядка (XY класс универсальности). Мы доказали, что большинство наблюдаемых явлений можно объяснить исходя из предположения, что трансляционная (позиционная) длина корреляции значительно больше, чем гексатическая длина корреляции. Статья с изложением теории опубликована в 2016 году (https://doi.org/10.1103/PhysRevE.93.062707 ). 4. Важной составляющей нашего проекта является изучение структуры гексатической фазы и фазового перехода смектик-А -гексатик. Нами предложен сравнительно простой метод восстановления двумерной (2D) парной корреляционной функции плотности g(r) в частично упорядоченных системах с угловыми корреляциями из 2D картин рассеяния, используя данные углового рентгеновского кросс-корреляционного анализа (XCCA). Соответствующие эксперименты на свободно подвешенных пленках гексатиков были проведены на источнике синхротронного излучения PETRA III в DESY (Гамбург). Изложенный выше подход позволил нам реконструировать2D парную корреляционную функцию g(r) в гексатических ЖК. Функция g(r) показывает как экспоненциальный спад, характеризующий ближний позиционный порядок в плоскости слоев гексатика, так и дальний порядок во взаимном расположении максимумов функции g(r) на 2D карте в реальном пространстве. Статья с результатами исследований вышла в свет в 2016 году (https://doi.org/10.1103/PhysRevE.94.030701 ). 5. Большое внимание было уделено исследованию нелинейного эффекта акустического течения в свободно подвешенных смектических пленках (СПСП) (http://link.springer.com/article/10.1134/S1063774516030287) . Течение проявлялось в виде спаренных вихревых потоков, вращающихся в противоположных направлениях в плоскости плёнки. Вихревые течения в СПСП возбуждались в определенном диапазоне частот акустических колебаний. При этом вихревое течение возникало пороговым образом с ростом амплитуды акустического давления. Такое поведение объясняется Бингамовским характером течения, которое в случае СПСП, по-видимому, связано с присутствием краевых дислокаций в структуре смектической пленки. Нами показано, что характер вихревого течения в СПСП хорошо контролируется с помощью частоты возбуждения, величины акустического давления и геометрии пленки. При уменьшении размера одной из сторон рамки, удерживающей пленку, эффект вихреобразования подавляется и возникает новое нелинейное явление в виде осциллирующих капель. По результатам работы подготовлена статья, направленная в печать. 6. Наконец, нельзя обойти стороной теоретическую работу, посвященную явлению формирования капель нематика в свободно подвешенных смектических пленках (СПСП), перегретых выше температуры объемного перехода в нематическую фазу. Установлено, что первый этап образования и роста нематических капель происходит при приближении перегретой СПСП к ближайшей критической точке потери устойчивости. Показано, что нуклеация и рост нематических капель становятся энергетически выгодными в присутствие большого количества разрастающихся дислокационных петель, обеспечивающих приток вещества к каплям и обусловливающих различие в размерах образующихся капель. Объяснена сильная анизотропия формы нематических капель. Установлено, что вторая стадия роста капель происходит между двумя этапами нагрева СПСП, когда в пленке сосуществуют нематические капли разных размеров, случайно оказавшиеся достаточно близко друг к другу. В этом случае поверхностная энергия этой части СПСП становится функцией расстояния между центрами капель. Последнее обусловливает возникновение капиллярной силы притяжения между каплями, аналитическое выражение для которой впервые было получено нами в рамках данной работы. Сделана оценка сверху для силы гидродинамического сопротивления движению малой капли и показано, что указанная сила сопротивления почти на порядок меньше капиллярной. Полученные теоретические выводы и оценки находятся в хорошем согласии с экспериментом. По результатам работы подготовлена статья, направленная в печать.

 

Публикации

1. Евдокимов Ю.М., Скуридин С.Г., Салянов В.И., Штыкова Э.В., Хлебцов Н.Г., Кац Е.И. The gold nanoparticles influence the spatial ordering of double-stranded nucleic acid molecules Frontiers in Nanoscience and Nanotechnology, том 2, стр. 135 - 143 (год публикации - 2016).

2. Залужный И.А., Курта Р.П., Менушенков А.П., Островкий Б.И., Вартанянц И.А. Direct reconstruction of the two-dimensional pair distribution function in partially ordered systems with angular correlations PHYSICAL REVIEW E, Vol. 94, Iss. 3, p. 030701(R) (год публикации - 2016).

3. Кац Е.И. Spontaneous chiral symmetry breaking in liquid crystals Физика Низких Температур, v. 43, No. 1, pp. 7–10 (год публикации - 2017).

4. Кац Е.И. Fluctuation shift of nematic liquid crystal - isotropic liquid phase transition temperature Physical Review E, - (год публикации - 2017).

5. Кац Е.И., Лебедев В.В., Муратов А.Р. Theory of the anomalous critical behavior for the smectic A-hexatic transition. Physical Review E, том 93, стр. 062707 (2016) (год публикации - 2016).

6. Ю.М. Евдокимов, С.Г. Скуридин, В.И.Салянов, Е.И.Кац ГЕКСАГОНАЛЬНАЯ - ХОЛЕСТЕРИЧЕСКАЯ УПАКОВКА МОЛЕКУЛ ДНК В ЧАСТИЦАХ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ДИСПЕРСИЙ Доклады Академии Наук, Физическая Химия, том 467, № 5, с. 1–4. (год публикации - 2016).

7. Ю.М. Евдокимов, С.Г. Скуридин, С.В.Семенов, Л.А.Дадинова, В.И.Салянов, Е.И.Кац Reentrant cholesteric phase in DNA liquid-crystalline dispersion particles. Journal of Biological Physics, - (год публикации - 2017).


Возможность практического использования результатов
не указано