Recenzja rozprawy doktorskiej mgra inż. Grzegorza Pawlika. Wprowadzenie

Transkrypt

1 Wrocław, 1 września 2004 r. dr hab. inż. Włodzimierz Salejda, prof. nadzw. PWr Recenzja rozprawy doktorskiej mgra inż. Grzegorza Pawlika Wprowadzenie Oddziaływanie światła z materią to dziedzina badań podstawowych, która dała początek fizyce kwantowej i jest obecnie intensywnie rozwijana. Przyczyną tego są spodziewane zastosowania rezultatów badań do konstrukcji nowych urządzeń, między innymi w informatyce, fotonice, holografii w czasie rzeczywistym. Przedstawiana do recenzji rozprawa doktorska należy do tego nurtu badań i dotyczy fizyki procesów tworzenia i wymazywania siatek dyfrakcyjnych w materiałach fotorefrakcyjnych i fotochromowych, które są przedmiotem badań m.in. w grupie prof. Andrzeja Miniewicza z Instytutu Chemii Fizycznej i Teoretycznej Politechniki Wrocławskiej. Informacje ogólne Praca doktorska mgr. inż. Grzegorza Pawlika pt. Badania metodą Monte Carlo orientacyjnego uporządkowania molekuł związanego z indukowanym światłem tworzeniem się siatek dyfrakcyjnych liczy 95 stron i składa się z dziewięciu rozdziałów, które uzupełnia spis bibliografii. Przedmiotem rozprawy są układy modelowe, w których pod wpływem padającego przestrzennie modulowanego światła pojawia się anizotropia własności optycznych wywołana niejednorodnym rozkładem orientacji cząsteczek ośrodka. Tematyka ta jest obecnie w centrum zainteresowania ze względu na możliwe zastosowania w urządzeniach fotonicznych. Rozpatrywane w rozprawie zagadnienia uważam za aktualne oraz istotne z punktu widzenia zarówno poznawczego, jak i aplikacyjnego. Rozprawę można podzielić na dwie zasadnicze części. Pierwsza(rozdziały 1 4) ma charakter metodologicznego wprowadzenia. Zawiera opisy wybranych właściwości badanych układów oraz stosowanych metod. Na początku każdego rozdziału przedstawiono krótko obiekt badań, zastosowane metody, a na końcu podsumowanie najważniejszych wyników. W rozdziale pierwszym, pt. Przedmiot i cele pracy, Autor krótko wprowadza w tematykę rozprawy, uzasadnia jej wybór, zwięźle przedstawia obiekty badań i użytą metodę badawczą oraz jasno formułuje cele ogólne i szczegółowe pracy doktorskiej. W rozdziale drugim, zatytułowanym Metodologia badań, omówiono zastosowaną w pracy metodę symulacji Monte Carlo oraz opisano pobieżnie eksperyment mieszania dwóch fal. Rozdział trzeci, noszący tytuł Ciekłe kryształy nematyczne, przedstawia zwięźle podstawowe właściwości fizyczne ciekłych kryształów nematycznych i zawiera opisy:(a) stosowanego w pracy modelu teoretycznego,(b) użytego wariantu symulowania komórki ciekłokrystalicznej metodą Monte Carlo,(c) numerycznej metody wyznaczania współczynnika załamania światła i wydajności dyfrakcji płaskorównoległej komórki ciekłego kryształu nematycznego. Na szczególne podkreślenie zasługuje tutaj dodanie przez Autora do hamiltonianu Lebwohla Lashera członu zadającego energię zakotwiczenia w postaci potencjału Rapiniego(ostatni człon we wzorze(3.3)). 1

2 W rozdziale czwartym pt. Fotochromowe układy polimerowe Autor omawia krótko fizyczne mechanizmy indukowania światłem anizotropii optycznej w polimerach domieszkowanych barwnikami, przedstawia metodę symulacji Monte Carlo, zwaną metodą fluktuujących wiązań, oraz numeryczny algorytm wyznacznia wydajności dyfrakcji na podstawie symulacji. Na uwagę zasługuje zaproponowany algorytm obliczania wydajności dyfrakcji przy użyciu charakterystyk otrzymanych metodą Monte Carlo. Jest to nowy i niezbędny etap przy porównywaniu kinetyki badanych wielkości makroskopowych otrzymanych doświadczalnie oraz na drodze symulacji komputerowych. Część druga rozprawy(rozdziały 5 8) stanowi jej zasadniczą część i zawiera oryginalne wyniki. Rozdział piąty, zatytułowany Hipoteza szachownicy dla płaskorównoległej komórki NLC, jest poświęcony numerycznej weryfikacji hipotezy szachownicy, wysuniętej przez prof. A. Miniewicza i innych w 1999 r. i dotyczącej przestrzennej orientacji cząsteczek ciekłego kryształu nematycznego w komórce z warstwą fotoprzewodzącą. W rozdziale szóstym, pt. Wydajność dyfrakcji komórki NLC, przedstawiono wyniki symulacji metodą Monte Carlo wydajności dyfrakcji płaskorównoregłej komórki ciekłokrystalicznej poddanej działaniu przestrzennie i czasowo modulowanego pola elektrycznego. Zbadano również wpływ zakotwiczenia, czyli oddziaływania cząsteczek nematyka ze ściankami komórki, na wydajność dyfrakcji. W rozdziale siódmym, noszącym tytuł Kinetyka procesów formowania siatki dyfrakcyjnej w polimerze fotochromowym, sformułowano kinetyczny model procesów fizycznych odpowiedzialnych za tworzenie i wymazywanie siatek dyfrakcyjnych w polimerach domieszkowanych barwnikiem fotochromowym, poddanych działaniu przestrzennie modulowanej fali świetlnej. Wyniki numeryczne, otrzymane w ramach przybliżenia atermalnego układu, porównano z rezultatami doświadczalnymi. Rozdział ósmy, zatytułowany Wpływ temperatury na kinetykę procesów budowy siatki dyfrakcyjnej w polimerze fotochromowym, jest poświęcony uogólnieniu atermalnego modelu, które pozwala badać jakościowo i ilościowo efekty zależne od temperatury. Przedstawione są w nim wstępne wyniki symulacji dotyczące wpływu temperatury na wydajność dyfrakcji. Rozdział dziewiąty zawiera krótkie podsumowanie i wskazuje perspektywy dalszych badań. Cytowana w rozprawie literatura, licząca 81 pozycji, jest wystarczająca i obejmuje głównie prace prezentujące wyniki otrzymane w ostatnich latach(na 81 pozycji literaturowych, 67 to prace opublikowane po 1990 roku). Ocena merytoryczna rozprawy W pracy rozważono dwa układy, którymi były: Płaskorównoległa komórka ciekłokrystaliczna umieszczona w zewnętrznym przestrzennie modulowanym polu elektrycznym, powstającym pod wpływem niejednorodnego rozkładu ładunków wywołanego oddziaływaniem modulowanego przestrzennie światła laserowego z materiałem fotorefrakcyjnym. Polimer fotochromowy, tj. polimer domieszkowany barwnikiem fotochromowym. Autor postawił przed sobą następujące cele szczegółowe: Weryfikacja hipotezy doświadczalnej dotyczącej rozkładu orientacji cząsteczek nematyka w płaskorównoległej płytce. 2

3 Wyznaczenie optymalnych wartości parametrów modelu prowadzących do zwiększenia wydajności dyfrakcji w płaskorównoległej komórce z ciekłym kryształem nematycznym. Sformułowanie modelu kinetycznego opisującego poprawnie proces indukowania światłem anizotropii optycznej w polimerach fotochromowych. Uogólnienie modelu kinetycznego w celu uwzględnienia wpływu temperatury na badane zjawiska. Do najważniejszych osiągnięć rozprawy doktorskiej zaliczam: 1. Potwierdzenie eksperymentalnej hipotezy szachownicy. Autor rozprawy przekonująco wykazał, że metoda Monte Carlo odtwarza, w ramach stosowanego modelu, wyniki doświadczalne dla dwóch różnych kierunków pola elektrycznego. Najdobitniejilustrujetorys.5.7nas Wyniki analizy wydajności dyfrakcji w płaskorównoległej komórce ciekłokrystalicznej przedstawione w rozdziałach 6.1 i 6.2. Na podkreślenie zasługuje tu: Wyznaczenie zależności wydajności dyfrakcji od wartości natężenia statycznej składowej pola elektrycznego przyłożonego do badanej modelowej komórki ciekłokrystalicznej oraz od jej rozmiaru(rys. 6.4 na s. 47). Analiza stopnia wierności odwzorowania pola elektrycznego na indukowaną tym polem anizotropię optyczną. Wyznaczenie trójwymiarowego diagramu fazowego(rys. 6.6 na s. 50) przedstawiającego zależność wydajności dyfrakcji od wartości współczynnika zakotwiczenia oraz natężenia stałego pola elektrycznego. Warto dodać, że wymienione wyżej wyniki pracy doktorskiej mają duże znaczenie aplikacyjne. 3. Zaproponowanie w rozdziale 7.2 atermalnego modelu kinetycznego procesów odpowiedzialnych za tworzenie i wymazywanie siatek dyfrakcyjnych w polimerze fotochromowym i wskazanie istotnej roli sformułowanego modelu przy interpretacji danych doświadczalnych dotyczącyh wydajności dyfrakcji. Otrzymane wyniki symulacji(rozdziały ) pozwalają wskazać mikroskopowe procesy fizyczne odpowiedzialne za obserwowane w eksperymencie efekty. Na szczególne podkreślenie zasługuje identyfikacja dwóch dobrze zdefiniowanych procesów mikroskopowych(związanych z koncentracją cząsteczek cis i trans nematyka) oraz odpowiadających im skal czasowych w procesie tworzenia siatek dyfrakcyjnych. 4. Uogólnienie atermalnego modelu polegające na uwzględnieniu temperatury oraz wstępne wyniki symulacji Monte Carlo pokazujące wpływ temperatury na tworzenie i wymazywanie siatek dyfrakcyjnych w polimerze fotochromowym. Autor prezentuje w pracy wiele wyników, głownie w postaci wykresów. Sposób prezentacji jest zwarty, miejscami zbyt lakoniczny, choć poprawny. Oryginalne wyniki Autora, otrzymane we współpracy z innymi, zostały opublikowane w renomowanych czasopismach. Poniżej zamieszczam ich pełny opis: 1. G. Pawlik, A.C. Mituś, A. Miniewicz, Monte Carlo simulations of refractitive index changes in nematic liquid crystal upon spatially nonuniform illumination, Optics Communications, vol. 182, (2000); pozycja 53 spisu literatury. 3

4 2. K. Komorowska, G. Pawlik, A.C. Mituś, A. Miniewicz, Electro-opic phenomena in nematic liquid crystals studied experimentally and by Monte-Carlo simulations, Journal of Applied Physics, vol. 90, (2001); pozycja 58 spisu literatury. 3. G. Pawlik, A.C. Mituś, A. Miniewicz, F. Kajzar, Kinetics of diffraction gratings formation in a polymer matrix containing azobenzene chromophores: Experiments and Monte Carlo simulations, Journal of Chemical Physics, vol. 119, (2003); pozycja 24 spisu literatury. Ponadto dwie inne prace, których mgr inż. Grzegorz Pawlik jest współautorem, zostały przyjęte do druku w czasopismach Molecular Crystals and Liquid Crystals oraz Journal of Nonlinar Optical Physics and Materials. Zaletą rozprawy jest współpraca Autora z eksperymentatorami pracownikami grupy naukowej prof. A. Miniewicza. Publikacje wymienione wyżej zawierają części eksperymentalne oraz ich interpretacje otrzymane metodą Monte Carlo. Przejdę do przedstawienia uwag krytycznych. 1. Moje wątpliwości budzi zapis podstawowego dla rozprawy hamiltonianu układu danegowzorem(3.3)nas.20.wkontekścietreścinotkizamieszczonejnas.21 można się domyślić, że hamiltonian jest zapisany w postaci bezwymiarowej, ale Autor rozprawy powinien to precyzyjnie wyjaśnić w tekście. Jest to zwłaszcza istotne w przypadkach, gdy nie uwzględnia się temperatury. Wtedy rodzą się pytania: Co fizycznie oznacza podana na s. 20 wartość ξ = 20 bezwymiarowego parametru zadającego oddziaływanie między cząsteczkami nematyka? Co fizycznie oznacza wartość bezwymiarowejtemperaturyt=0,8podanawopisierys.44nas.30?podobnewątpliwości budzi wybór wartości pozostałych bezwymiarowych parametrów modelu. Uważam, że w pracy brakuje szerszej dyskusji zależności otrzymywanych wyników symulacji od parametrów modelu. 2. Czytanie pracy doktorskiej znacznie utrudnia brak spisu stosowanych oznaczeń oraz słownika terminologicznego, zawierającego krótkie wyjaśnienia lub opisy używanych niestandardowych lub specyficznych terminów i pojęć. Rozprawa doktorska powinna stanowić zamkniętą całość, w której autor używa symboli, pojęć i wielkości dobrze opisanych lub zdefiniowanych. 3. Uważam, że aspekty doświadczalne są potraktowane bardzo pobieżnie. W szczególności dotyczy to opisu i rysunków z rozdziału 2.2, dotyczących eksperymentu mieszaniadwóchfal.mocnorazibrakopisurys.2.1nas.14izamieszczonychna nimsymboli.tosamoodnosisię,choćwmniejszymstopniu,dorys.2.2nas Symulacje komputerowe przeprowadzono dla układów dwuwymiarowych. W pracy nie znalazłem komentarza dotyczącego zależności otrzymanych wyników od wymiarowości układów. 5. Opisy zdecydowanej większości wykresów nie zawierają danych dotyczących dokładności prezentowanych wartości liczbowych otrzymanych metodą Monte Carlo. W tekście rozprawy nie ma także komentarzy na ten temat, poza jednym przypadkiem(rys.3.8nas.24). 6. Autor rozprawy używa na początkowych stronach skrótu NLC bez podania jego znaczenia. Czytelnik ma możliwość dość swobodnego domniemywania. Czyżby chodziło o Niezidentyfikowane Latające Ciało? Dopiero na s. 17 osoba o odpowiednim IQ domyślić się może, że chodzi o Nematic Liquid Crystal. 4

5 7. Wzór(2.7) jest niepoprawny, ponieważ jest niepełny. 8. W tekście pracy natrafiłem na kilkanaście potknięć redakcyjnych. Oto wybrane przykłady:(a) Niepoprawnie dzielone są wyrazy, np. na s. 22 widnieje podział bezwymi-arowej,nas.28 temper-atury,nas.32 natomi-ast;(b)rażąpozostawionenakońculiniipojedynczeliterytypu:w,z,i,oetc;(c)autornieodróżnia łącznika(-) od myślnika( lub ), posługując się tylko tym pierwszym znakiem; (d) W podziękowaniach składanych promotorowi użyto skrótu Pwr;(e) Nieco niezręcznie jest sformułowany na s. 9 jeden z celów pracy;(f) Niezbyt szczęśliwie wybrano oznaczenia, np. we wzorze(7.4) na s. 58 użyto jednocześnie p(trans cis) orazp trans cis ;(g)napoczątkudrugiegozdaniapowzorze(2.5)nas.12jest Prwdobieństwa;(h)Słowomasterjestnas.12pisanerazzdużej,arazzmałej litery;(i)udołus.20napisanownniniejszej;(j)nas.30użytosłowasakla; (k) W spisie literatury brakuje konsekwencji w stosowania znaków interpunkcyjnych. Podsumowanie Autor rozprawy zrealizował założone cele. Nie ustrzegł się przy tym kilku wskazanych uchybień, które jednak nie mają wpływu na moją wysoką ocenę merytoryczną pracy. Otrzymane wyniki stanowią istotny wkład do wiedzy o mechanizmach generowania anizotropii optycznej w intensywnie badanych w ostatnich latach komórkach ciekłokrystalicznych oraz w polimerach fotochromowych wywołanej niejednorodnym orientacyjnym rozkładem cząsteczek. Wartość otrzymanych rezultatów podnosi jeszcze możliwość ich zastosowań w urządzeniach fotonicznych. Mgr inż. G. Pawlik wykazał się bardzo dobrą znajomością i opanowaniem technik modelowania i symulowania metodą Monte Carlo właściwości badanych układów ciekłokrystalicznych. Praca doktorska zawiera szereg ważnych i oryginalnych wyników, które zostały już opublikowane lub będą opublikowane w recenzowanych czasopismach o zasięgu międzynarodowym. Biorąc to wszystko pod uwagę stwierdzam, że recenzowana rozprawa spełnia ustawowe wymogi dotyczące prac doktorskich i wnioskuję o jej przyjęcie oraz dopuszczenie mgra inż. Grzegorza Pawlika do dalszych etapów przewodu doktorskiego. 5