Մասնակից:Մարգարիտ

Ֆերոմագնիսական նանոմասնիկների մակերևույթների մշակման ազդեցությունը թերմոտրոպ նեմատիկ հեղուկ բյուրեղների հատկությունների վրա

Թերմոտրոպ հեղուկ բյուրեղներում ֆերոմագնիսական նանոմասնիկների ներարկումը գրավում է գիտնականների հետաքրքրությունը մագանիսական դաշտի նկատմամբ ունեցած բարձր զգայունության շնորհիվ: Այս զգայունությունը ի հայտ է գալիս մասնիկների դիպոլային մոմենտի և հեղուկ բյուրեղի դիրեկտորի միջև առկա փոխազդեցության շնորհիվ: Այս փոխազդեցության սկզբնաղբյուր կարող է հանդիսանալ, օրինակ՝ երկարաձգված մասնիկների անհամաչափությունը կամ գնդաձև մասնիկների մակերևույթի վրայի հեղուկ բյուրեղի մոլեկուլների ադսորբցիայի անկյունային կախվածությունը: Երկու դեպքում էլ մագնիսական դաշտի նկատմամբ մասնիկների վերակողմնորոշումը հանգեցնում է մի ուժի, որը հեղուկ բյուրեղներին տանում է մասնիկների ետևից: Ֆերոմագնիսական հեղուկ բյուրեղների խառնուրդների կիրառման գլխավոր խնդիրը նրանց կայունությունն է: Գնահատականները ցույց են տալիս, որ նանոմասնիկների միջև առկա ուղղակի մագնիսական փոխազդեցությունը թույլ է ջերմային էներգիայից: Չնայած դրան ֆերոմագնիսական մասնիկների կուտակումը նեմատիկ փուլում զգալիորեն ուժեղ է: Կուտակումը թուլացնելու համար նանոմասնիկները ծածկում են տարբեր սուրֆեկտանտներով: Սուրֆեկտանտների հիմնական դերը մասնիկի բացառման ծավալի մեծացումն է: Միևնույն ժամանակ սուրֆեկտանտների երկար մոլեկուլները, որոնք ներթափանցում են հեղուկ բյուրեղի մատրիցայի մեջ, կարող են լրջորեն փոփոխել մատրիցայի մեզոգենիկ առանձնահատկությունները՝ ազդելով նրանց կարգավորվածության, առանձգական և փուլային անցման հատկությունների վրա: Ուստի, սուրֆեկտանտների ընտրությունը և օգտագործումը կախված է ոչ միայն կուտակման աստիճանի նվազեցման, այլ նաև հեղուկ բյուրեղի մատրիցայի հատկությունների փոփոխման հետ: Ներկա հոդվածում մենք ներկայացնում ենք սուրֆեկտանտների կառուցվածքի ուժեղ ազդեցությունը նեմատիկ հեղուկ բյուրեղներում առկա ֆերոմագնիսական նանոմասնիկների կուտակման, կոլոիդների կայունության և նեմատիկ մատրիցայի կարգավորվածության վրա: Մենք ցույց ենք տալիս, որ այն սուրֆեկտանտը, որը մոլեկուլի արտաքին հատվածում 4 ցիանոբիֆենիլով միջին մեզոգենիկ խումբ է պարունակում, ապահովում է մասնիկների նվազագույն կուտակումը: Այսպիսի սուրֆեկտանտներով պատված ֆերոմագնիսական մասնիկներով հարստացված նեմատիկներում մագնիասական ֆրեդերիկսյան անցուման շեմը 1.5 անգամ ավելի ցածր է քան այն մաքուր հեղուկ բյուրեղի համար:

Նյութեր և փորձարկումներ

Մենք ուսումնասիրել ենք 5CB հեղուկ բյուրեղի հարստացումը երկարաձգված, ասեղանման տարբեր սուրֆեկտանտներով պատված ֆերոմագնիսական նանոմասնիկներով: Այս մասնիկները բավականին խոստումնալից են կիրառման համար, քանի որ նրանց սինթեզը լավ զարգացած է և տեսական գնահատականները կանխատեսում են հեղուկ բյուրեղի զգայունության աճ մագնիսական դաշտի նկատմամբ: Նանոմասնիկների միջին չափը 175×25նմ էր: Հարկ է նշել, որ չնայած միջանկյալ նանոմասնիկների կատարյալ ասեղանման տեսքը, քիմիական ձևափոխման արդյունքում, փոքր ինչ ձևախախտվել էր, այնուամենայնիվ, վերջնական նանոմասնիկները ունեին ցանկալի ձողանման տեսք: Որպեսզի ուսումնասիրենք նանոմասնիմների ազդեցությունը նեմատիկ մատրիցայի կարգավորվածության վրա, մենք համեմատել ենք դեպի իզոտրոպ փուլ փուլային անցման ջերմաստիճանը խարնուրդի և մաքուր հեղուկ բյուրեղի համար: Մազական խողովակները լցվել են խառնուրդով և մաքուր հեղուկ բյուրեղով: Հետո տեղադրվել են իրար շատ մոտ և դիտվել են բևեռացնող միկրոսկոպով: Մազանոթների ջերմաստիճանը բարձրացվել է 32 աստիճանից 0.1±0.03 քայլով: Ջերմաստիճանների փոփոխությունների միջև եղած ժամանակը մոտավորապես 30 րոպե էր: Նեմատիկ փուլում առաջին իզոտրոպ տիրույթի ձևավորման ջերմաստիճանը` Tc1−ը եւ իզոտրոպ փուլում վերջին նեմատիկ տիրույթի անհետացման ջերմաստիճանը` Tc2–ը չափվել են խառնուրդի եւ մաքուր հեղուկ բյուրեղի համար: Մենք պարզեցինք, որ մասնիկները փոխում են երկու փուլային անցման ջերմաստիճանները և դրանց տարբերությունը հավասար է (Tc2−Tc1): Կարելի է տեսնել, որ բոլոր խառնուրդները նպաստում են փուլային անցումների ջերմաստիճանների շեղման և երկու փուլերի միջև ընկած տիրույթների ընդլայնմանը: Խառնուրդների մեծ մասը առաջ են բերում փուլային անցման ջերմաստիճանի նվազեցմանը, բացառությամբ այն խառնուրդի, որն ունի S–4 սուրֆեկտանտ, որը ցուցադրում է անցումային ջերմաստիճանի զգալի աճ: Կարևոր է նշել, որ Tc1 և Tc2 չափված արժեքները լավ կրկնվում են: Ի լրումն, Tc1 և Tc2 արժեքների փոքրիկ փոփոխությունները կարելի է թերևս բացատրել անվերահսկելի խառնուրդների առկայությամբ, որոնց խտությունը նմուշից նմուշ տարբեր է: Խառնուրդների կայունությունը գնահատելու համար դրանք սենյակային ջերմաստիճանում լցվել են 70մմ երկարություն և 2մմ շառավիղ ունեցող ապակյա մազական խողովակների մեջ մազական ուժերի շնորհիվ: Մինչև լցնելը, խառնուրդները մեկ ժամյա ընթացքում 90−100°C ջերմանստիճանում մեխանիկորեն խառնվել են և հետո միևնույն ջերմաստիճանում 10րոպե մշակվել են ուլտրաձայնային սարքավորման մեջ: Մազական խաղովակները դրվել են ուղղահայաց դիրքով և մենք հետևել ենք ժամանակի ընթացքում խառնուրդում տեղի ունեցող օպտիկական փոփոխություններին: Լցնելուց անմիջապես հետո մենք նկատեցինք փոքրիկ ագրեգատների առկայությունը: Ժամանակի ընթացքում դրանց չափերը մեծացան և ագրեգատները աստիճանաբար իջան մազական խողովակների հատակին: Ագրեգատների տեսանելի ձևավորումը դադարեց մազական խողովակների մեջ սուրֆեկտանտների բոլոր տեսակներից լցնելուց 10–14 ժամ հետո: Այն նմուշը, որի մասնիկները կիրառվում են S–2 սուրֆեկտանտի հետ մյուսների համեմատությամբ ավելի նպաստավոր էր համարվում: S–2 սուրֆեկտանտներ պարունակող խառնուրդների միավորման դինամիկային առավել մանրամասն հետևելու համար մենք վերցրել ենք պլանար կողմնորոշված բջջում տեղի ունեցող խառնուրդի պատկերները: S–2 սուրֆեկտանտներով խառնուրդի՝ մագնիսական դաշտի նկատմամբ ունեցած զգայունությունը ստուգելու համար մենք ուսումնասիրեցինք բջիջների (d=50մմ) մագնիսաօպտիկական արձագանքը պլանար կողմնորոշված մակերևույթով տարբեր կոնցենտրացիաներով խառնուրդների հետ: Բջիջները տեղադրվել են էլեկտրամագնիսական բևեռների միջև, որի դաշտը փոփոխվում էր 0.2–2 կիլոգաոս տիրույթում: Չափվող տիրույթի ջերմաստիճանը կայունացնելու համար մագնիսը ծածկվեց կափարիչով: Հեղուկ բյուրեղական մատրիցայում ֆերոմագնիսական նանոմասնիկների բևեռային կողմնորոշումը պահպանելու համար n վեկտորի (դիրեկտոր) երկայնքով կիրառվել է փոքր կողմնակի H=0.2կիլոգաուս դաշտ: Բջջի արձագանքը դաշտի կիրառման նկատմամբ գրանցվել է չափելով նրա օպտիկական փուլի ուշացման կախվածությունը H մագնիսական դաշտից: Փորձերը ցույց են տալիս, որ առաջանում է Ֆրեդերիկսյան անցման թույլ լղոզում, որը պայմանավորված է 5CB մաքուր հեղուկ բյուրեղի ոչ կատարյալ պլանար կողմնորոշմամբ և խառնուրդով: Մենք սահմանել ենք Ֆրեդերիկսյան անցման դաշտի մեծությունը HFr-ը, որպես մի դաշտ, որում մագնիսականորեն մակածված փուլային շեղումը գերազանցում էր փորձարական սխալին: Կարելի է տեսնել HFr-ի մեծության նվազումը խառնուրդի կոնցենտրացիայի աճին զուգընթաց: Խառնուրդի համար HFr շեմային արժեքը 1.5 անգամ փոքր է 5CB մաքուր հեղուկ բյուրեղի HFr շեմային արժեքից:

Քննարկում

Մեր փորձերը ցույց են տալիս, որ սուրֆեկտանտներով օգտագործվող ֆերոմագնիսական մասնիկները լրջորեն փոխում են հեղուկ բյուրեղների մատրիցային կարգավորվածությունը, որը հստակորեն արտահայտվում է փուլային անցման ջերմաստիճանների փոփոխությամբ և խառնուրդ փուլի համագոյության ջերմաստիճանի աճով: Սֆերիկ նանոմասնիկների դեպքում լուծույթի ազդեցությունը բերում է Tc-ի թեթև աճին: Տեսական հաշվարկների արդյունքում պարզ դարձավ, որ ինչպես լուծույթների, այնպես էլ մագնիսական ազդեցությունը չեն կարող բացատրել խառնուրդում առկա փուլային անցման ջերմաստիճանների նկատված խոշոր փոփոխությունները, և այս երևույթի առավել հավանական պատճառ է հանդիսանում սուրֆեկտանտների և հարևան հեղուկ բյուրեղի մոլեկուլների միջև առկա կողմնորոշումային փոխազդեցությունը: Այս երևույթի մեխանիզմը կարելի է որակապես բացատրել Գրանդժեն–Մայեր–Զաուպ մոլեկուլային դաշտի տեսության շրջանակներում, եթե հեղուկ բյուրեղի մոլեկուլների և սուրֆեկտանտների միջև փոխազդեցությունը ավելի թույլ է, քան հեղուկ բյուրեղի մոլեկուլների միջև, ապա Tc–ի փոփոխությունը բացասական է: Դա տեղի ունի S1–S3 սուրֆեկտանտների դեպքում: Հակառակ դեպքում, երբ հեղուկ բյուրեղի մոլեկուլների և սուրֆեկտանտների մոլեկուլների միջև փոխազդեցությունը ուժեղ է, ապա այն մեծացնում է տեղական կարգավորվածությունը, որը և հանգեցնում է Tc–ի աճին: Մենք դիտել ենք ΔTc≈2°C խոշոր դրական տեղաշարժը S-4 նմուշի համար: Ըստ երևույթի, այս սուրֆեկտանտի մեզոգեն խմբի և հեղուկ բյուրեղի մոլեկուլների միջև փոխազդեցությունը շատ ուժեղ է: Որպես արդյունք, սուրֆեկտանտի շերտի մոտ հեղուկ բյուրեղի կարգավորվածության պարամետրը, հարակից տիրույթի հեղուկ բյուրեղի կարգավորվածության պարամետրի համեմատ ավելի մեծ է, և ջերմաստիճանը աճում է:Մեր արդյունքները ցույց տվեցին, որ չնայած խառնուրդի արդյունավետությունը մեծ էր, ուսումնասիրված սուրֆեկտանտները չէին կարող ամբողջովին ճնշել ֆերոմագնիսական նանոմասնիկների կուտակումը:

Եզրակացություն

Մեր փորձերը հստակորեն ցույց են տալիս, որ սուրֆեկտանտի մոլեկուլային կառուցվածքը մեծապես ազդում է և նեմատիկ մատրիցայի կարգավորվածության, և նանոմասնիկների կուտակման արդյունավետության վրա: Մենք պարզեցինք, որ միահիմք և 4 ցիանոբիֆենիլ պարունակող սուրֆեկտանտի մեզոգեն խումբը մոլեկուլի արտաքին մասում ապահովում է մասնիկների նվազագույն կուտակումը, և սուրֆեկտանտով ծածկված մասնիկների ներարկումը ցուցադրում է մագնիսական դաշտի նկատմամբ բարձր զգայունություն: Ուսումնասիրված սուրֆեկտանտները կարող են և նվազեցնել, և մեծացնել նեմատիկ մատրիցայի կարգավորվածությունը և փուլային անցման ջերմաստիճանը: Մասնավորապես, S-4 սուրֆեկտանտը, իր առավել ծավալուն դենդրիդանման կառուցվածքով և եզրային մեզոգեն խմբով, հանգեցնում են ջերմաստիճանի բարձրացմանը: Մենք այս երևույթը կապում ենք մեզոգեն խմբի և հեղուկ բյուրեղի մոլեկուլների միջև առկա ուժեղ փոխազդեցության և սուրֆեկտանտի ծավալուն կառուցվածքի հետ, որը հեղուկ բյուրեղի մոլեկուլներին թույլ է տալիս ներթափանցել սուրֆեկտանտի մոլեկուլմերի միջև և բարձրացնել մասնիկի մակերեւույթին մոտ գտնվող հեղուկ բյուրեղի մոլեկուլների կարգավորվածության աստիճանը: Օ.Բուլույ, Դ.Բուրսեվա, Մ.Հակոբյան, Ջոն Վ.Գուդբայ, Մ.Կոլոսով, Յու.Ռեզնիկով, Ռ.Հակոբյան, Կ.Սլուսարենկո, Մ.Պրոդանով, Վ.Վասչենկո