Delist.ru

Микрополосковые резонаторы и их применение для исследований диэлектрических свойств жидких кристаллов (07.09.2007)

Автор: Дрокин Николай Александрович

Полимер биологического происхождения – полиоксибутират (ПОБ) является продуктом современной биотехнологии. Типичная для полимеров цепочечная структура молекул ПОБ обеспечивает ему высокую термопластичность, прочность, а биологическая активность ? способность деградировать под воздействием микроорганизмов. Наряду с основным гомогенным молекулярным состоянием ПОБ 3-оксимасляной кислоты, водородные бактерии Alcaligenes eutrophus способны накапливать при синтезе и гетерополимеры, являющиеся продуктом сополимеризации. Наличие сополимеров существенно расширяет класс данного биополимера, обеспечивая ему широкую перспективу практического применения.

По своей молекулярной структуре этот материал близок к классическим цепочечным полимерам типа полиэтилена и полипропилена, и его физико-химические свойства во многом определяются структурой мономерного звена, молекулярной массой, степенью персистемной гибкости полимерной цепи в макроскопическом масштабе, а также, возможно, и мелкомасштабной конформационной внутримолекулярной подвижностью.

диэлектрический инкремент (' падает и наоборот. Величина (' определялась из соотношения:

, но и совокупностью других причин, например, достаточно сильным изменением динамической вязкости растворов (0,1 – 1,5 пуаз), а также изменением внутримолекулярной гибкости (подвижности) макроцепей при введении валерата.

В работе был получен композит жидкого кристалла 7СВ с биополимером стандартным методом фазового разделения компонент гомогенного раствора (весовое соотношение 1:3) при испарении растворителя (трихлорэтилена) при t = 270C. Как показали предварительные исследования, диэлектрический спектр действительной компоненты ДП композита похож на спектр жидкого кристалла 7СВ в изотропном состоянии, но диэлектрическая анизотропии уверенно фиксируется по относительному изменению проходящей СВЧ мощности (dP/P) ( 100% ( 0,8. Сам факт существования диэлектрической анизотропии в композите свидетельствует о том, что использованная полимерная матрица не разрушает нематический порядок.

В заключительном разделе главы рассмотрена достаточно простая методика диэлектрических измерений пористых сред с цилиндрическими порами и способ вычисления диэлектрической проницаемости матрицы и образца ЖК, введенного в поры. В качестве пористых сред использовались специально изготовленные кварцевые матрицы с диаметром пор 100 и 5 мкм и «нуклепоровые» мембраны, полученные методом ионного облучения полимерных пленок Методика диэлектрических измерений сводится к следующему: измеряются резонансные частоты измерительной ячейки c пустой пористой матрицей и с матрицей, поры которой заполнены ЖК. Из разницы резонансных частот f0 – fm по калибровочной зависимости вначале определяется диэлектрическая проницаемость материала матрицы (m, а затем рассчитывается диэлектрическая проницаемость ЖК. В качестве тестового вещества использовался ЖК 5СВ. Для 100 микронных пор с учетом погрешности определения их относительной концентрации получено значение (LC (3,6 ( 0,05. Это значение эквивалентно диэлектрической проницаемости массивного ЖК, измеренной на частоте 480 МГц. Для 5 мкм пор из-за большой погрешности определения концентрации пор, вычисленные значения ДП находятся в пределах (LC (2,5 ? 3,5. Таким образом, полученные выражения для расчета ДП ЖК в пористых матрицах позволяют с приемлемой точностью измерять абсолютные значения диэлектрической проницаемости ЖК в порах.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

Разработаны резонансные датчики для диэлектрических измерений жидких кристаллов на основе несимметричных микрополосковых линий передач. Определены требования к измерительной ячейке, которая учитывает специфику жидких кристаллов и позволяет получить однородно ориентированную жидкокристаллическую фазу. Определен минимальный объем исследуемого вещества (( 2,5 мм3), позволяющий снимать температурные и электрополевые зависимости диэлектрической проницаемости ЖК с точностью не хуже чем (((( = ( 0,005, при тангенсе угла диэлектрических потерь ( 0,01.

Разработана схема автогенераторного датчика, позволяющая оперативно снимать температурные, электрополевые и быстропротекающие временные процессы переориентации дипольных молекул.

Теоретически и экспериментально исследованы электродинамические свойства нерегулярных микрополосковых резонаторов и предложены новые методы диэлектрических измерений, использующие особенности неэквидистантного спектра собственных частот таких резонаторов. Сконструирована серия датчиков, обладающих чувствительностью ((((( = 10-3 – 10-4) и возможностью одновременного измерения как малых, так и больших величин диэлектрической проницаемости веществ (( = 2?? 80).

Разработан датчик для двухчастотного метода определения дебаевского времени релаксации, в котором имеется возможность регулировать раздвижку резонансных частот первой и второй мод колебаний в области дисперсии диэлектрической проницаемости. Теоретически и экспериментально исследована конструкция замкнутого кольцевого нерегулярного резонатора и обоснованы методы диэлектрических измерений. По рассчитанным параметрам экспериментально изготовлен датчик для измерения диэлектрической проницаемости на частоте 3,6 ГГц. Исследована зависимость ((экв двухкомпонентной матричной смеси ацетон – ЖК 5СВ. Показано, что диэлектрическая проницаемость смеси полярная жидкость жидкий кристалл 5СВ подчиняется соотношению Лоренц-Лоренца для смесей.

Сконструированы частотно-перестраиваемые с шагом (20 – 50 Мгц) микрополосковые датчики для измерения дисперсии диэлектрической проницаемости ЖК в диапазоне частот от 50 до 1500 МГц. Для более высоких частот вплоть до 9 ГГц разработаны датчики на нерегулярных и многомодовых резонаторах.

Установлено, что минимальным диэлектрическим потерям соответствует ситуация, когда направление «директора» совпадает с направлением СВЧ-электрического поля. Определены критические поля перехода Фредерикса в ЖК с различной величиной и знаком диэлектрической анизотропии и показано, что направление «директора» в используемой ячейке самопроизвольно устанавливается параллельно поверхности измерительных пластин.

Обнаружено, что для ЖК из группы алкилцианобифенилов в нематическом и в изотропном состоянии на высокочастотном склоне ориентационной части диэлектрического спектра вблизи 300 МГц наблюдается дополнительная дисперсионная область, обусловленная диэлектрическими резонансами. Установлены характерные частоты резонансов (f (160, 280, 360, 450, 550, 650 МГц), которые не зависят от типа мезогенов. Показано, что эти резонансы приводят к изменению не только величины, но и знака диэлектрической анизотропии ЖК 5СВ. Обнаруженные резонансы связываются с конформационными переходами ближайших к жесткому остову молекулы секторов алкильной цепи, которые, в соответствии с данными ЯМР имеют времена для 1 и 2 сектора ( 3(10-9 с, для 3 и 4 ( 1,6(10-9 с.

Проведены экспериментальные исследования влияния длины алкильных цепей и изменений молекулярной структуры ароматического остова циансодеpжащих молекул некоторых жидких кристаллов на их диэлектрические оптические и релаксационные свойства. Показано, что наблюдаемые изменения характерных времен релаксации связаны с изменением коэффициента молекулярной упаковки мезофаз. Установлено, что в ЖК с короткими «хвостовыми» группами n = 3 перпендикулярная компонента ДП может быть описана тремя дискретными временами релаксации. Для жидкокристаллических соединений с более длинными алкильными группами установлено, что диэлектрический спектр может быть описан с помощью ФРВР, максимумы которой указывают на характерные времена релаксации вращения молекул и вклад от внутримолекулярных движений алкильных групп.

Разработаны два численных алгоритма для восстановления ФРВР из измеренных диэлектрических спектров действительной и мнимой компонент ДП жидких кристаллов. Оба метода апробированы с использованием ЖК 5СВ, 7СВ, 7ОСВ и МББА. Показано, что предложенный метод получения информации о диэлектрических характеристиках и временах релаксации ЖК дает качественно и количественно правильные результаты.

Показано, что измерительные датчики на основе микрополосковых резонаторов могут быть с успехом использованы для изучения таких сложных объектов, как полимеры биологического происхожения и капсулированные в поровые матрицы жидкие кристаллы. Проведены частотные и температурные исследования полимера-полиоксибутирата и некоторых сополимеров, находящихся в твердом состоянии и в виде их растворов в хлороформе. Диэлектрическая проницаемость измеренных образцов имеет величину ((( 2,23 ? 2,28. Результаты проведенных экспериментальных исследований позволяют утверждать, что достаточно высокие значения диэлектрических инкрементов растворов, а также обнаруженная их сильная зависимость от средневесовой молекулярной массы обусловлены изгибными механизмами поляризации полимерных цепей.

Получен и исследован композит жидкого кристалла 7СВ с биополимером. Выявлен факт существования диэлектрической анизотропии этого композита.

Предложена простая методика диэлектрических измерений пористых матриц с цилиндрическими порами и способ вычисления диэлектрической проницаемости матрицы и образца ЖК, введенного в поры.

Цитируемая литература

Беляев Б.А.,Журавлев В.А., Кириченко В.И. и др. Исследование диэлектрических свойств солевых растворов на СВЧ с помощью микрополоскового резонатора. – Красноярск: ИФ. 1989. – 55 с. (Препринт №547 Ф АН СССР. Сиб. отд-ние, Ин-т физики им. Л.В. Киренского).

Беляев Б.А., Тюрнев В.В.Способ измерения диэлектрической проницаемости подложки // Авт. Свидетельство СССР №1800335.? 1993. – БИ № 9.

Фрелих Г. Теория диэлектриков. – М.: Издательство иностранной литературы, 1960. – 251 c.

Maier W., Meier. G.Eine eimache theorie der dielektrischen eigenschanen homogen orientierter kristallinfiussiger phases desnematisches typs // Naturforsch. ? 1961. ?V.16a.? P. 262?267.

Nordio P.L., Rigatti G., Serge U. Dielectric relaxation theory in nematic liquids // Mol.Phys.-1073.-V.25.-N.1.?P.129?136.

Cole R.N. Theories dielectric polarization and relaxation. В кн. “Progress in dielectric” vol.3. London: 1961,– 246 p.

Alvarez F., Alegria A., Colmenero J. A new method for obtaining distribution of relaxation times from frequency relaxation spectra // J.Chem.Phys. ? 1995. ?V.103. ?No.2. ?P. 798?806.

Ктиторов С.А. Об определении функции распределения времен релаксации по диэлектрическим потерям // Письма в ЖТФ. ? 2003.??Т. 29. ?№22.? C. 74?79.

Makimoto M.,. Yamashita S. Compact Bandpass Filters Using Stepped Impedance Resonators // IEEE Trans. On Microwave Theory and Techniques. ?1979? vol. MTT-67.? №1.? p. 16?19.

Bose T.K., Campbell B., Yagihara S., Thoen.J. Dielectric relaxation study of alkylcyanobiphenyl liquid crystals using time-domain spectroscopy // Phys.Rev. A ? 1987. ?V.16.?No. 12.? P. 5767?????.

Ferrarini A., Nordio P.L. Molecular motion of 4-n-alkyl-4`-cyanobiphenyls in liquid crystal phases // Mol.Cryst.Liq.Cryst. ? 1991???V.198.? P. 159????.

Захаров А.В., Миранцев Л.В. Динамические и диэлектрические свойства жидких кристаллов // ФТТ.?2003. ?Т.45. ?№1. ?С. 174?179.

Смирнов В.И. Курс высшей математики? М: Государственное изд. Технико теоретической литературы, 1951.– Т.4. ?803 с.

Основные публикации по теме диссертации

Беляев Б.А., Дрокин Н.А., Шепов В.Н. Применение микрополосковых резонаторов для исследования диэлектрических свойств жидких кристаллов на СВЧ // ЖТФ.?1995.? T. 65. ?Вып. 2? С. 189?197.

Беляев Б.А., Дрокин Н.А., Тюрнев В.В., Шепов В.Н. СВЧ ячейка для измерения диэлектрической проницаемости жидкости // Авт. свидетельство на полезную модель РФ №3829. 1997. Б.И. №10.

Беляев Б.А., Дрокин Н.А., Шепов В.Н., Шабанов В.Ф. Особенности диэлектрических спектров жидкого кристалла 5СВ в дециметровом диапазоне длин волн // Письма в ЖЭТФ?? 1997??T. 66.? Вып. 4.? с. 251?253.

Беляев Б.А., Дрокин Н.А., Шепов В.Н., Шабанов В.Ф. Исследование СВЧ-диэлектрической проницаемости жидких кристаллов в электрических и магнитных полях // ЖТФ.??1998.??Т. 68.? Вып. 1?? С. 117?121.

Беляев Б.А., Волова Т.Г, Дрокин Н.А., Шепов В.Н. СВЧ-диэлектрическая проницаемость полиоксибутирата-деградируемого полимера// Докл. АН. – 2000.? Т. 370. ?В. 6.? С. 828?831.

Беляев Б.А., Дрокин Н.А., Шабанов В.Ф., Шепов В.Н. Диэлектрическая анизотропия жидкого кристалла 5ЦБ в дециметровом диапазоне длин волн ?// ФТТ. – 2000?? Т. 42.?№ 3.? С. 564?556.

загрузка...