Физические принципы индукции холестерической фазы производными бинафтила тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.04, кандидат физико-математических наук Винокур, Ростислав Алексеевич

• Винокур, Ростислав Алексеевич
• кандидат физико-математических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Винокур, Ростислав Алексеевич

Введение

I. Обзор литературы

1. Основные понятия и определения

2. Теоретические модели индуцированной холестерической фазы

3. Экспериментальное исследование хиральных добавок

4. Производные бинафтила в качестве хиральных добавок

II. Эксперимент

1. Исследуемые вещества

2. Нематические матрицы

3. Оборудование

4. Методы измерения шага холестерической спирали

5. Рефрактометрический метод определения параметра порядка нематической матрицы

III. Результаты и обсуждение

Содержание работы

1. Химическая структура и физические свойства

6,6'-замещенных производных бинафтила

2. Температурная зависимость закручивающей силы и распределение конформеров 6,6'-замещенных производных бинафтила

3. Управление закручивающей способностью бинафтильного фрагмента посредством его ориентации в матрице

4. Управление закручивающей способностью посредством УФ-облучения

5. Расчет конформации молекул и их закручивающей силы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Физические принципы индукции холестерической фазы производными бинафтила»

В последние десятилетия, среди огромного многообразия жидкокристаллических систем (мезофаз) особенно интересными как для исследования, так и с практической точки зрения считаются хиральные1 фазы. Фундаментальной задачей их изучения является поиск связи асимметрии молекул и макроскопических свойств веществ. Действительно, существование холестерических (хиральных нематических), хиральных смектических, открытых недавно голубых [1-3] и TGB (Twisted Grain Boundary) [4,5] фаз непосредственно связано с хиральностью образующих их молекул. Как было отмечено в [6-8], изучение феномена хиральности является одной из наиболее сложных и важных проблем в области физики жидких кристаллов.

Важнейшей областью применения хиральных жидких кристаллов является производство экономичных и компактных устройств отображения информации. В настоящее время наиболее динамично развивается производство цветных графических дисплеев, основанных на ферроэлектрической хиральной смектической фазе. В знакосинтезирующих индикаторах и растровых дисплеях невысокого разрешения в подавляющем большинстве случаев используется холестерическая фаза. Столь жесткое разделение областей применения данных мезофаз связано с тем, что хотя холестерические структуры дешевле и обеспечивают более высокий коэффициент контрастности, время переключения

1 термин "сЫгаШу" (от греч. х^Ф - рука) предложен лордом Кельвином для обозначения отсутствия плоскостей и центра симметрии коммерческих холестерических смесей ( ~10"3 с ) существенно больше, чем ферроэлектрических ( ~10б с ), что неприемлемо для воспроизведения движущегося изображения. Таким образом, создание новых холестерических систем столь же актуально, как удешевление ферроэлектрических материалов.

В дальнейшем речь пойдет лишь о холестерических фазах [9,10]. Надмолекулярную структуру последних можно считать наиболее простой, в то же время, характерный размер, связанный с макроскопическим проявлением хиральности (шаг холестерической спирали), варьируется от долей до сотен микрометров, что позволяет рассматривать данные фазы в качестве весьма перспективных модельных систем.

Интересной особенностью хиральных фаз является то, что "носителем" асимметрии на молекулярном уровне может являться только часть системы, при этом свойства данной компоненты могут влиять как на систему в целом, так и на "симметричные" ее составляющие [11]. Возможность варьирования состава представляет собой универсальный инструмент исследования.

Что касается холестерических фаз, то вполне естественно стремление снизить долю хиральной компоненты до 0.1-^10%, сохраняя специфические макроскопические свойства фазы. С точки зрения анализа системы, это предоставляет дополнительный малый параметр и позволяет выделить особенности взаимодействия хиральных молекул с молекулами нематического окружения. Экспериментально такое соотношение компонент означает, что наличие и общие свойства жидкокристаллической фазы в основном определяются свойствами симметричной компоненты (матрицы), а особенности структуры - свойствами хиральной компоненты добавки). Последняя может не иметь собственной мезофазы, однако должна обладать достаточной эффективностью в отношении изменения надмолекулярной структуры матрицы.

Предлагаемая работа посвящена исследованию ряда впервые синтезированных веществ (производных бинафтила) в качестве хиральных добавок. Широкий спектр структурных особенностей молекул данных соединений (заместители различной протяженности и полярности, жесткость или наличие внутренних степеней свободы) позволяет осуществить систематический анализ наблюдаемых закономерностей. Ряд веществ демонстрирует термо- и фоточувствительность хиральных свойств. Полученные экспериментальные данные могут быть использованы с целью проверки существующих теоретических подходов. Некоторые из представленных веществ продемонстрировали рекордные свойства в отношении эффективности формирования холестерической структуры, что дает надежду на их практическое применение.

I. Обзор литературы

Заключение диссертации по теме «Физическая электроника», Винокур, Ростислав Алексеевич

Заключение

Впервые был синтезирован и изучен широкий класс новых веществ способных индуцировать холестерическую структуру в жидкокристаллических системах. Ряд представленных материалов обладает рекордными свойствами, делающими перспективным их применение в технологии устройств отображения информации. Достигнуты высокие значения закручивающей силы при растворимости, достаточной для получения селективно отражающих образцов. Получены индуцированные фазы как с температурно стабильным шагом холестерической спирали, так и с ярко выраженной его температурной зависимостью.

Установлены фундаментальные закономерности, связывающие молекулярное строение добавок и макроскопические свойства индуцируемой ими структуры. Эффективное формирование спиральной макроструктуры при концентрации хиральной компоненты составляющей доли процента позволяет пренебречь взаимодействием хиральных молекул между собой, что существенно облегчает теоретический анализ, в частности, оправдывает применение приближения упругой деформации кручения для матрицы.

Совокупность описанных закономерностей, по сути, представляет собой модель, с одной стороны, позволяющую прогнозировать свойства индуцированной структуры по молекулярному строению хиральной добавки, с другой стороны, конструировать молекулярную структуру хиральной добавки, необходимой для обеспечения заданных свойств электрооптической системы.

На основе установленных закономерностей разработана концепция создания новых высокоэффективных оптических материалов.

Продемонстрирована принципиальная возможность эффективного управления шагом холестерической спирали путем воздействия на бинафтил-содержащую хиральную добавку ультрафиолетовым облучением. Последнее позволяет осуществлять тонкую настройку жидкокрислаллических оптических систем.

Возможность существенного снижения закручивающей способности при введении в молекулу двух идентичных хиральных фрагментов продемонстрирована впервые. Также впервые процесс димеризации использован для управления шагом спирали индуцированной холестерической фазы.

Впервые сделана попытка модификации хиральной добавки in situ за счет водородного связывания со специально вводимыми в матрицу фрагментами.

Автор выражает благодарность за финансовую поддержку Международному научному фонду (№ ММЕ300, 1995 г.), Российскому фонду фундаментальных исследований (№ 96-03-32847, 1997-1999 гг.), INTAS (№ 96-922, 1997-1999 гг.), PECO-NIS (CIPDCT 940602, 1995-1997 гг.), ISSEP (№1849, 1997 г., №1748 1998 г.).

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Винокур, Ростислав Алексеевич, 2000 год

1. Coates D., Gray G.W., Phys. Lett., 1973,45A, 115

2. Crooker P.P., Liq. Cry St., 1989, 5, 75

3. Crooker P.P., Kitzerov H.-S., Cond. Mat. News, 1992,1(3), 6

4. Renn S.R., Lubensky T.C., Phys. Rev. A, 1988, 38, 2132

5. Srajer G., Pindak R., Waugh M.A., Goodby J.W. and Patel J.S., Phys. Rev. Lett., 1990, 64, 1545

6. Goodby J.W., Slaney A.J., Booth C.J., Nishiyama I., Vuijk J.D., Styring P. and Toyne K., Mol. Cryst. Liq. Cryst., 1994, 243, 231

7. Goodby J.W., Mater. Chem., 1991,1, 307

8. Walba D.M., 1997, 6th International Conference on Ferroelectric Liquid Crystals, 20 24 July, Brest, France, Tutorials, 1

9. Жен де П., Физика жидких кристаллов, М., Мир, 1977

10. Сонин А.С., "Введение в физику жидких кристаллов", М, "Наука", 1983

11. Solladie G. and Zimmermann R., Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 1984, 23, 348

12. Yu L.J., Saupe A., Phys. Rev. Lett., 1980, 45, 100

13. Saupe A., Boonbrahm P., Yu L.J., J. Chem. Phys., 1983, 80, 7

14. Boonbrahm P., Saupe A., J. Chem. Phys., 1984, 81, 2076

15. Lacerda-Santos M., Galerne Y., Durand G., Phys. Rev. Lett., 1984, 53, 787

16. Melnik G., Photinos P., Saupe A., J. Chem. Phys., 88(6), 1998

17. Ногради M., "Стереохимия", M., "Мир", 1984

18. Stegemeyer H., Liq. Cryst., 1989, 5, 5

19. Schadt M., Liq. Cryst., 1989, 5(1), 57

20. Ландау Л.Д., Лифшиц E.M., Теоретическая физика, т. VII, Теория упругости, 4-е изд., М., Наука, 1987

21. Goossens W.J.A., Mol. Cryst. and Liq. Cryst., 1971,12, 237

22. Goossens W.J.A., Phys. Lett., 1970, 31A(8), 413

23. Mayer W. and Saupe A., Z. Naturforsch, A, 14, 882 (1959), 15, 287 (1960)

24. Humphries R.L., James P.G. and Luckhurst G.R., J. Chem. Soc. Faraday Trans. II, 1972, 68, 1031

25. Stegemeyer H. and Finkelmann H., Chem. Phys. letters, 1973, 23(2), 227

26. Meer van der B.W., Vertogen G., Dekker A.J., Ypma J.G.J., J. Chem. Phys., 1976, 65(10), 3935

27. Meer van der B.W., Vertogen G., Phys. Lett. 1976, 59A, 279

28. Lin-Liu Y.R., Yu Ming Shih, Chia-Wei Woo and Tan H.T., Phys. Rev. A, 1976,14, 445

29. Lin-Liu Y.R., Yu Ming Shih, Chia-Wei Woo, Phys. Rev. A, 1977, 15(6), 2550

30. Keating P.N., Mol. Cryst. Liq. Cry st., 1969, 8, 315

31. Goossens W.J.A., Journal de Physique, 1979, Col. C3, 40(4), 158

32. Wulf A., J. Chem. Phys., 1973, 59(3), 1487

33. Priest R.G., Lubensky, Phys. Rev. A, 1974, 9(2), 893

34. Straley J.P., Phys. Rev. A, 1974, 10, 1801

35. M. A. Osipov, B. T. Pickup, D. A. Dunmur, Molec. Phys., 1995, 84(6), 1193

36. T.C. Lubensky, A.B. Harris, Kamien R.D. and Gu Yan., Ferroelectrics, 1998, 212, 1

37. Harris A.B., Kamien R.D., Lubensky T.C., Rev. Mod. Phys., 1999, 71, 1745

38. A.B. Harris and T.C. Lubensky, Phys. Rev. Lett., 1997, 78, 1476; 2867

39. Kamien R.D., T.C. Lubensky and Holger Stark., Mol. Cryst. Liq. Cryst., 1996, 288, 15

40. Ferrarini A., Moro G.J., Nordio P.L., Luckhurst G.R., Molec. Phys., 1992, 77, 1

41. Ferrarini A., Moro G.J. and Nordio P.L., Liq. Cryst., 1995,19(3), 397

42. Ferrarini A., Moro G.J. and Nordio P.L., Mol. Phys., 1996, 87(2), 485

43. Ferrarini A., Moro G.J. and Nordio P.L., Phys. Rev. E, 1996, 53(1), 681

44. Allen M.P., Phys. Rev. E, 1993, 47, 4611

45. Memmer R., Kuball H.-G., Schonhofer A., Mol. Phys., 1996, 89(6), 1633

46. Berardi R., Kuball H.-G., Memmer R., Zannoni C., J. Chem. Soc. Faraday Trans., 1998, 94(9), 1229

47. Memmer R., ICuball H.-G., Schonhofer A., Liquid Crystals, 1993, 15, 345

48. Memmer R„ Kuball H.-G., Schonhofer A., Liquid Crystals, 1995, 19(6), 749

49. Friedel G„ Ann. Phys. (Paris), 1922, 18, 273

50. Buckingham A.D., Ceasar G.P., Dunn M.B., Chem. Phys. Lett., 1969, 3, 540

51. Baessler H., Labes M.M., J. Chem. Phys., 1970, 52, 631

52. Stegemeyer H., Mainusch K.J., Chem. Phys. Lett., 1970, 6, 5

53. Sackmann E., Meiboom S., Snyder L.C., Meixner A.E., Dietz R.E., J. Am. Chem. Soc., 1968, 90, 3567

54. Baessel H.,Laronge T.M., Labes M.M, J. Chem. Phys., 1969, 51, 3213

55. Kuball H.-G., Brüning H., Weiss B., Freilung Kolloquium, March 1996

56. Kuball H.-G., Weiss B., Beck A.K., Seebach D., Helvetica Chimica Acta, 1997, 80, 2507

57. Kuball H.-G., Muller Th., Brüning H., Schonhofer A., Liq. Cryst., 1995, 261, 205

58. Kuball H.-G., Muller Th., Weyland H.-G., Mol. Cryst. Liq. Crvst., 1992, 215, 271

59. Kuball H.-G., Heppke G., Liquid Crystals Today, 1995, 5(1), 5

60. Kuball H.-G., Brüning H., Muller Th., Turk 0., Schonhofer A., J. Mat. Chem., 1995, 5(12), 2167

61. Kuball H.-G., Rolling R., Brüning H., Weiss B„ Liquid Crystals: Physics, Technology and Applications, Proceedings of SPIE, 1998, 3318, 53

62. Yarmolenko S.N., Kutulya L.A., Vashchenko V.V., Chepeleva L.V., Liq. Cryst., 1994, 16, 877

63. Bhatl J.C., Keast S.S., Neubert M.E. and Petschek R.C., Liq. Cryst., 1995, 18, 367

64. K.Yamamura,Y.Okada,S.Ono,M.Watanabe, J. Chem. Soc. Chem. Comm., 1988, 443

65. Yamamura K., Ono S. and Tabushi 1.1., Tetrahedron Lett., 1988, 29, 1797

66. Suchold B., Renault A., Lajzerowicz J., Spada G. P., J. Chem. Soc. Perkin Trans. II, 1992, 1839

67. Gotarelli G., Hibert M., Samori B., Solladie G., , Spada G. P. and Zimmermann R., J. Am. Chem. Soc., 1983, 105, 7318

68. Gotarelli G., Spada G. P., Bartsch R., Solladie G. and Zimmermann R., J. Org. Chem., 1986, 51, 589

69. Gotarelli G. and Spada G. P., Mol. Cryst. Liq. Cryst., 1985,123, 377

70. Gotarelli G., Osipov M.A., Spada G.P., J. Phys. Chem., 1991, 95, 3879

71. Heppke G., Kitzerow H.-S., Lotzsch D., Papenfuss C., Liq. Cry st., 1990, 8, 407

72. Heppke G., Kitzerow H.-S., Oestraicher F., Naturforsch., 1986,41a, 1214

73. Tsuzuki S., Tanabe K., Nagawa Y., Nakanishi H., J. Mol. Struct., 1990, 216, 279

74. Kerr K.A., Robertson J.M., J. Chem Soc. B, 1969, 1146

75. Kuroda R., Mason S.F., J. Chem. Soc. Perkin Trans. II, 1981, 167

76. Baraldi I., Ponterini G., Mommichioli F.,

77. J. Chem. Soc. Faraday Trans. II, 1987, 83, 2139

78. Baraldi I., Bruni M.С., Caselli M., Ponterini G., J. Chem. Soc. Faraday Trans. II, 1989, 85(1), 65

79. Deussen H.-J., Hendrickx E., Boutton C., Krog D., Clays K., Bechgaard K., Persoons A., BjornholmT.,

80. J. Am. Chem. Soc., 1996, 118, 6841

81. Kranz M., Clark T., von Rague Schleyer P., J. Org. Chem., 1993, 58, 3317

82. Tetreau C., Lavalette D., Nouveau Journal de Chimie, 1982, 6(10), 461

83. Zhang M., Schuster G., J. Phys. Chem., 1992, 96, 3063

84. Zhang M., Schuster G., J. Am. Chem. Soc., 1994, 116, 4852

85. Vicentim F., Clio J., Chien L.-C., Liq. Cryst., 1998, 24(4), 483

86. Kelly S. M., Schadt M. and Seiberle H., Liq. Cryst., 1992, 11, 761

87. Leroux N., Fritz W.J., Doane J.W., Chien L.-C., Mol. Cryst. Liq. Cryst., 1995, 261, 465

88. Шибаев В.П., Deussen H.-J., Бобровский А.Ю., Шибаев П.В., Schaumburg К., BjornholmT., Бойко H.И., Bechgaard К., Высокомолекулярные соединения А, 1997, 39(1), 69

89. Ma L., Ни Q.-S., Vitharana D., Wu С., Kwan C.M.S., Pu L., Macromolecules, 1991, 30, 204

90. Mi Q„ Gao L., Li L., Ma Y., Zhang X., Ding M., J. Polym. Sci., Part A, 1997, 35, 3287

91. И. О. Калиновский, H. И. Бойко, П. В. Шибаев, В. П. Шибаев, Высокомолекулярные соединения А, 1998, 40(3), 389

92. Deupen H.-J., Shibaev P. V., Vinokur R. A., Bjornholm Т., Schaumburg K., Bechgaard K., Shibaev V. P., Liq. Cry St., 1996, 21, 327

93. Kalinovskii I. O., Mastshenko V. I., Vinokur R. A., Boiko N. I., Shibaev V. P., Abstracts of European Conference on liquid crystals, March 3-8, 1997, Zakopane, Poland, 185

94. Kalinovskii I. O., Mastshenko V. I., Vinokur R. A., Boiko N. I., Shibaev P. V., Shibaev V. P., Liquid crystals: Chemistry and Structure, Proseedings of SPIE, 1997, 3319, 11393. Беляков B.A., Сонин A.C.,

95. Оптика холестерических жидких кристаллов, М., "Наука", 1982

96. Беляков В.А., Оптика жидких кристаллов, М., Знание, 1982

97. Капустин А.П., Экспериментальное исследование жидких кристаллов, М., Наука, 1977

98. Блинов JI.M., Электро- и магнитооптика жидких кристаллов, М., Наука, 1978

99. Robinson С., Word J.C., Beevers R.B., Disk. Faraday Soc. 1958, 29

100. Grandjean F.C.R., Ackad. Sci., 1921, 172

101. Kano R„ Bull. Soc. Fr. Min. Cryst., 1968, 91, 20

102. Heppke G., Oestreicher F., Z. Naturforsch., A, 1977, 32, 899

103. Shang W., Labers M.M., 1994, Mol. Cryst. Liq. Cryst., 239, 55

104. Haller J., J. Phys. Chem., 1973, 77, 950

105. Блинов Л.М., Кизель В.А., Румянцев В.Г., Титов В.В., Кристаллография, 1975, 20, 1245

106. Вукс М.Ф., Опт. и спектр., 1966, 60, 644

107. Todorov Т., Nikolova L., 1992, Opt. Lett., 17, 358

108. Шибаев В.П., Костромин С.Г., Иванов С.А., Высокомолекулярные соединения А, 1997, 39(1), 43

109. Naciri J., Spada G.P., Gotarelli G.,Weiss R.G., 1987, J. Am. Chem. Soc., 109, 4352

110. HyperChem ® Release 5.0 for Windows, Reference Manual, Pub. HC50-00-02-00, Hypercube Inc., 1996

111. Mason S.F., Seal R.H., Roberts D.R., Tetrahedron, 1974, 30, 1671

112. Kuhn W., Rometsch R„ Helv. Chim. Acta, 1944, 28, 1080

113. Meyer E.W., Advanced Materials for Molecular Electronics and Photonics, 1994, Mons, Belgium, December 1-2

114. Thorup N., Deussen H.-J., Bjornholm Т., Bechgaard К., ECM16 Lund, 16th European Crystallografic Meeting, 6-11 August 1995, Lund, Sweden

115. Bauman D., Martynski Т., Mykowska E., Liq. Cryst., 1995,18, 607

116. Bauman D., Mol. Cryst. Liq. Cryst., 1988,159, 197

117. Murakoshi K., Azechi Т., Hosokawa H., Wada Y., Yanagida S., J. of Electroanalytical Chemistry, 1999,473, 117

118. Ferrarini A., Nordio P.L., Shibaev P.V., Shibaev V.P., Liq. Cryst., 1998, 24(2), 219

119. P. V. Shibaev, R. Vinokur, V. Plaksin, K. Schaumburg, Т. Bjornholm, A. Ferrarini, P.L. Nordio, IV Российский симпозиумс международным участием) "Жидкокристаллические полимеры", 24-28 января 1999 г., Москва, Тезисы докладов, 78

120. Dauber-Osguthorpe P., Roberts V.A., Volff J., Genest M., Magier A.T., 1998, Proteins: Struc. Func. Genet., 4, 31