Влияние наночастиц шунгита на диэлектрические свойства тридецилат холестерола

ВЛИЯНИЕ НАНОЧАСТИЦ ШУНГИТА НА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТРИДЕЦИЛАТ ХОЛЕСТЕРОЛА

1, 1, 1,2, 1, 2, 2, 3, 1

1 Учебно-научная лаборатория теоретической и прикладной нанотехнологии, Московский государственный областной университет, ул. Радио, д.10а, 105005 Москва, Россия

2 НИИ наноматериалов, Ивановский государственный университет, ул. Ермака, д. 37/7, 153025, Иваново, Россия.

3 Институт геологии Карельско, 185910, г. Петрозаводск, Россия.

*****@***ru

Аннотация

В широком диапазоне частот (20 Гц – 20 МГц) и температур (21°C – 110°C) исследована зависимость действительной и мнимой частей диэлектрической проницаемости системы тридецилат холестерола с наночастицами шунгита. Установлено, что модификация тридецилат холестерола наноразмерными фрагментами шунгита приводит к появлению дисперсии диэлектрической проницаемости и изменению фазовой диаграммы системы. В частности, обнаружено расширение температурного интервала существования мезофазы, что позволит увеличить эксплуатационный диапазон приборов на основе холестерических жидких кристаллов. Обнаруженная дисперсия диэлектрической проницаемости в модифицированном тридецилате холестерола, обусловленная появлением дополнительных релаксационных процессов, не описывается классической теорией Дебая, что вызвано распределением времен релаксации в рассматриваемой системе.

Ключевые слова: холестерические жидкие кристаллы, диэлектрическая спектроскопия, наночастицы

Annotation

In a wide range of frequencies (20 Hz – 20 MHz) and temperatures (21 °C – 110 °C) the dependence of the real and imaginary parts of the dielectric permittivity of the cholesterol tridecylate system with schungite nanoparticles was investigated. It was found that the modification of tridecylate cholesterol with nanoscale shungite fragments leads to the appearance of a dispersion of the dielectric permittivity and a change in the phase diagram of the system. In particular, an expansion of the temperature range of mesophase existence has been discovered, which will allow increasing the operational range of devices based on cholesteric liquid crystals. The observed dispersion of dielectric permeability in modified cholesterol tridecylate, due to the appearance of additional relaxation processes, is not described by the classical Debye theory, which is caused by the distribution of relaxation times in the system under consideration.

Keywords: cholesteric liquid crystals, dielectric spectroscopy, nanoparticles

При помощи метода высокоточной диэлектрической спектроскопии [1, 2] проведено исследование холестерического жидкого кристалла (ХЖК) Х-20 и его взвеси с наноразмерными фрагментами шунгита. Целью работы является изучение влияния диспергирования наночастиц шунгита в различных концентрациях на диаграмму состояний и диэлектрические свойства жидкокристаллического материала Х-20.

Получены температурные зависимости действительной и мнимой частей диэлектрической проницаемости Х-20 и его взвеси с наночастицами шунгита с массовыми концентрациями 2·10-4 и 5·10-5 (рис. 1). Из полученных данных видно, что добавление наночастиц шунгита в Х-20 сопровождается уменьшением абсолютной величины диэлектрической проницаемости и небольшим расширением температурного интервала существования мезофазы (около 5 °C). Таким образом, модификация Х-20 наноразмерными фрагментами шунгита может привести к расширению эксплуатационных характеристик смазочных средств с ХЖК присадками [3] или температурных датчиков [4].

Рисунок 1 – Температурная зависимость действительной части диэлектрической проницаемости ХЖК Х-20 а) и его дисперсии с шунгитом (2·10-4 массовой доли) б): 1 – 1 кГц; 2 – 5 МГц

Установлено, что с увеличением концентрации (до 2·10-4 массовой доли) наночастиц шунгита в исследуемой взвеси появляется дисперсия диэлектрической проницаемости (рис. 2). Обнаруженная дисперсия диэлектрической проницаемости, обусловленная появлением дополнительных релаксационных процессов, не описывается классической теорией Дебая, что вызвано пространственным распределением времен релаксации в рассматриваемой системе. Модель Коул-Коула, являющаяся эмпирической модификацией теории Дебая [5] и получившая в дальнейшем теоретическое обоснование [6], учитывает распределение времен релаксации. Используя модель Коул-Коула построены аппроксимационные кривые, отображенная в виде сплошной линии на рисунке 2. Появление дисперсии диэлектрической проницаемости с добавлением наночастиц шунгита может быть объяснено локальным возмущением поля директора на наноразмерных неоднородностях. Данное объяснение согласуется и с обнаруженным пространственным распределением времен релаксации.

Рисунок 2 – Частотная зависимость действительной а) и мнимой б) частей диэлектрической проницаемости в SmA фазе: 1 – X-20, 2 – X-20 с шунгитом (5·10-5 wt.), 3 – X-20 с шунгитом (2·10-4 wt.)

Из частотных зависимостей диэлектрической проницаемости исследуемых образцов можно увидеть, что с добавлением наночастиц шунгита монотонно возрастает мнимая часть диэлектрической проницаемости в области низких частот, которая характеризует диэлектрические потери в системе. Эта особенность наблюдается во всех рассматриваемых фазах и связана с увеличением свободных носителей зарядов, содержащиеся в шунгите [7] в виде примесей (Ni, Mo, Cu и др.).

Литература

Perkowski P. Dielectric spectroscopy of liquid crystals. Theoretical model of ITO electrode influence on dielectric measurements // Opto-Electronics Review. – 2009. – Volume 17. – Issue 2. – p. 180-186. Perkowski P. Dielectric spectroscopy of liquid crystals. Electrodes resistivity and connecting wires inductance influence on dielectric measurements // Opto-Electronics Review. – 2012. – Volume 20. – Issue 1. – p. 79-86. , , Реологические характеристики дисперсий различных углеродных наночастиц в холестерических мезогенах как присадок к СОТС // Трение и износ. – 2015. – Том 36. – № 5. – с. 499-505. Marcos C., Pena J. M.S., Torres J. C., Santos J. I. Temperature-frequency converter using a liquid crystal cell as a sensing element // Sensors. – 2012. – Volume 12. – Issue 3. – p. 3204-3214. Cole K. S., Cole R. H. Dispersion and absorption in dielectrics I. Alternating current characteristics // The Journal of chemical physics. – 1941. – Volume 9. – Issue 4. – p. 341-351. Coffey W. T., Yu. P. Kalmykov, Titov S. V. Anomalous dielectric relaxation in the context of the Debye model of noninertial rotational diffusion // The Journal of chemical physics. – 2002. – Volume 116. – Issue 15. – p. 6422-6426. , Состав и структурные свойства природного фуллеренсодержащего минерала шунгита // Нано - и микросистемная техника. – 2013. – № 1. – с. 21-26.