Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Yapısal Photoresponsive sıvı kristaller dinamikleri gözlemlemek için yeni teknikleri

Published: May 29, 2018 doi: 10.3791/57612
Automatic Translation
1, 2, 3, 4, 1, 3, 4
1Graduate School of Natural Science and Technology, Okayama University, 2Graduate School of Science, Kyoto University, 3Center for Computational Sciences, University of Tsukuba, 4Graduate School of Science, Kyushu University

Summary

Burada, bir sütun halinde photoexcited molekülleri etrafında yerel yapıların deformasyonlar gözlemleri sağlayan diferansiyel-algılama analizleri zaman karar vermek kızılötesi titreşim spektroskopisinin ve elektron kırınım protokolleri mevcut sıvı kristal, yapısı ve bu fotoaktif malzeme dinamikleri arasındaki ilişki üzerine atomik bir bakış açısı veren.

Abstract

Zaman karar vermek kızılötesi (IR) titreşim spektroskopisinin ve zaman çözüldü elektron kırınım kullanarak sıvı kristal (LC) aşamasında moleküller deneysel ölçümler bu makalede görüşmek. Sıvı kristal faz katı ve sıvı fazlar arasında varolan madde önemli bir durumdur ve olduğu gibi organik elektronik doğal sistemlerin de yaygındır. Sıvı kristaller orientationally sipariş ancak gevşek Paketli ve bu nedenle, iç biçimler ve hizalamaları LCs moleküler bileşenlerinin dış uyaranlara tarafından değiştirilebilir. Her ne kadar zaman karar vermek gelişmiş difraksiyon tekniklerini Pikosaniye ölçekli tek kristaller moleküler dinamiklerini ortaya çıkardı ve polycrystals, doğrudan gözlem ambalaj yapıları ve yumuşak malzeme ultrafast dynamics tarafından bulanık engel olmuştur kırınım desenleri. Burada, IR titreşim spektroskopisinin zaman karar vermek ve elektron diffractometry ultrafast anlık görüntülerini fotoaktif çekirdek yan taşıyan sütunlar halinde bir LC malzeme elde etmek için raporu. Diferansiyel-algılama analizleri kombinasyonu zaman çözüldü-IR titreşim spektroskopisinin ve elektron kırınım yapıları ve yumuşak malzeme dinamikleri photoinduced karakterize güçlü araçlardır.

Introduction

Sıvı kristaller (LCs) çeşitli işlevler var ve bilimsel ve teknolojik uygulamalar1,2,3,4,5,6' da yaygın olarak kullanılmaktadır. LCs davranışını kendi orientational de molekülleri yüksek hareket yeteneği olarak sipariş için bağlanabilir. LC malzemelerin moleküler yapısı genellikle bir mesogen çekirdek ve LC moleküllerin yüksek hareket kabiliyetine sahip emin olmak kadar esnek karbon zincirleri ile karakterizedir. Dış uyaranlara7,8,9,10,11,12,13,14altında,15 , ışık, elektrik alanları, sıcaklık değişiklikleri veya mekanik basınç, küçük Intra - ve fonksiyonel davranışını önde gelen sistem, yeniden sıralama LC molekülleri neden köklü yapısal cins hareketleri gibi. LC malzemelerin işlevleri anlamak için moleküler ölçek yapısı LC aşamasında belirlemek ve moleküler biçimler ve ambalaj deformasyonlar anahtar hareketleri tanımlamak önemlidir.

X-ışını kırınım (XRD) yaygın olarak LC malzemeleri16,17,18yapıları belirlemek için güçlü bir araç olarak istihdam edilmektedir. Ancak, bir işlev uyaranlara duyarlı özünden kaynaklanan kırınım deseni kez geniş halo desenine göre uzun karbon zincirlerinden gizli olduğunu. Bu soruna etkili bir çözüm moleküler dynamics photoexcitation kullanarak doğrudan gözlemleri sağlar zaman çözüldü kırınım Analizi tarafından sağlanır. Bu teknik daha önce ve photoexcitation sonra elde edilen kırınım desenler arasındaki farklar kullanarak photoresponsive aromatik yan hakkında yapısal bilgi ayıklar. Bu farklılıklar arka plan gürültü kaldırmak ve doğrudan ilgi yapısal değişiklikleri gözlemlemek için yol sağlar. Analizleri fark kırınım kalıplarının yalnız, böylece zararlı kırınım photoresponsive karbon zincirlerinden hariç fotoaktif yan gelen modüle sinyalleri ortaya koyuyor. Bu fark kırınım Analizi yönteminin bir açıklaması vardı, M. ve ark19sağlanır.

Zaman çözüldü kırınım ölçümleri malzemeler20,21,22,23, faz geçiş sırasında oluşan atomik düzenlemeler hakkında yapısal bilgi verebilir misiniz 24 , 25 , 26 , 27 , 28 , 29 ve kimyasal reaksiyonlar arasında molekülleri30,31,32,33,34. Akılda bu uygulamaları ile dikkat çekici ultrabright ve darbeli ultrashort x-ışını35,36 ve elektron37,38,39 gelişiminde ilerleme kaydedildi , 40 kaynakları. Ancak, zaman çözüldü kırınım sadece basit, izole moleküllere veya için tek - veya poli-kristaller, içinde son derece inorganik kafes sipariş uygulanmış veya organik moleküller yapısal sağlayan iyi çözülmüş kırınım desenler üretmek bilgi. Buna ek olarak, daha karmaşık yumuşak malzeme ultrafast yapısal analiz onların daha az sipariş edilen aşama nedeniyle engel olmuştur. Bu çalışmada, zaman çözüldü elektron kırınım yanı sıra geçici soğurma spektroskopisi ve istimal bu fotoaktif LC malzemeler yapısal dinamikleri karakterize etmek için zaman karar vermek kızılötesi (IR) titreşim spektroskopisi kullanımını göstermektedir kırınım çıkarılan metodoloji19.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Kızılötesi titreşim spektroskopisinin 1.Time karar vermek

  1. Numune hazırlama
    1. Çözüm: π genişletilmiş cyclooctatetraene (π-karyolası) molekülleri içine diklorometan uygun konsantrasyon (1 mmol/L) ile geçiyoruz.
    2. LC faz: π-karyolası tozu 100 ° c sıcaklıkta sıcak sac kullanarak bir kalsiyum florür (CaF2) yüzey üzerinde erime Örnek bir oda sıcaklığında ne yapıyorsun?
      Not: Orta-IR aralığında saydam bir malzeme (CaF2 veya baryum florür (BaF2)) seçmeniz gerekir.
  2. Aparatı ayarlama
    1. Titanyum safir (Ti:sapphire) lazer ve chirped darbe amplifikatör geçiş yapar. Termal olarak onları birkaç saat için stabilize.
    2. Hizalamaları doğru olduğundan emin olun. Güç ve ultraviyole (UV) pompa ve IR orta sonda istikrarı denetleyin ve optik yol gerekirse yeniden hizalayın. Zaman karar vermek kızılötesi spektroskopi Optik Kurulum Şekil 5' te verilmiştir.
    3. Sıvı nitrojen kullanarak HgCdTe IR dedektörü dizi ne yapıyorsun? Böylece ışık o makul miktarda faiz aralığında algılanır Spektrometre doğru yer olduğundan emin olun. Soğurma spektrumları polistiren veya polietilen tereftalat gibi iyi bilinen malzemelerin kullanarak Spektrometre kalibre.
    4. Örnek tutucu üzerinde büyük fotoğraf kaynaklı geçici yanıt (Si gofret (1 mm) veya Re(bpy)(CO)3Cl/CH3CN çözümü) gösteren bir örnek bağlayın. Pozitif bir değer pompa-sonda ertelemeyi bulun ve pompa-sonda örtüşme sağlamak için pompa ışın karıştırarak tarafından geçici sinyal miktarı en iyi duruma getirme.
    5. Ev yapımı programı (Şekil 6) kullanarak pompa-sonda gecikme uzun menzilli tarama alarak zaman kökenli ayarı bulmak. Geçici sinyal ortaya çıkmaya başladığı konumunu kontrol edin.
    6. Re(bpy)(CO)3' te kimin dipol anlar ortogonal Cl germe CO simetrik ve anti-simetrik titreşim dinamikleri kontrol edin. Sihirli açı durumu düzgün tanıştığımda her ikisi de tam olarak aynı dynamics göstermek gerektiğini unutmayın.
  3. Ölçüm ve veri alma
    1. Çözüm: Ev yapımı akışı hücre bağlayın. İnert gaz (Azot (N2) veya Argon (Ar)) ile kabarcıklanma aygıt kurulum. LC faz: sürekli lazer noktalar lazer kaynaklı zarar en aza indirmek için örnek üzerinde taşımak için motorlu sahne alanı'ndaki substrat spin kaplı π-karyolası örnekle Mount.
    2. Doublecheck sıfır konumu ile örnek.
    3. Düzgün pompa-sonda gecikme tarama aralığını ayarlamak (başlangıç, bitiş ve adım).
    4. Verileri kaydetmek için bir dizin seçin.
    5. Veri toplama ile ev yapımı programını başlatın.
      Not: Veri dizininde otomatik olarak kaydedilir.

2. zaman çözüldü elektron kırınım

  1. Örnek substrat imalatı
    1. Her iki ön 30-nm-kalın silikon-zengin silikon nitrür (Si3N4veya sadece günah) kapalı bir silikon (001) gofret (200 µm kalınlığında), satın film (Şekil 11A). Günah/Si/günah gofret Meydanı'nda (15 × 15 mm2) kesti.
    2. Ar küme iyon kirişler41 , 2.5 × 1016 iyonları/cm2 üzerine günah/Si/günah gofret taraflardan biri akım ile yine de ışınlatayım 30-nm-kalın günah film (Şekil 11 kaldırmak için yeterli olan bir metal maskesi (Şekil 12), B, C).
      Not: Günah film kaldırmak için alternatif bir yöntem plazma gravür ya da iyon gravür kirişler.
    3. Potasyum hidroksit (KOH) sulu çözüm konsantrasyonu % 28, hazır olun.
    4. Gofret KOH çözüm için 1-2 gün (Şekil 11D), 60-70 ° C sıcaklığında içine daha fazla yolu ile izotropik kimyasal aşındırma42Si gofret, aşındırma gerçekleştiren koymak.
      Not: Gravür Si için KOH çözüm tarafından günah ince film kendinden destekli membran (Şekil 11E) kalır bu yüzden çok daha hızlı bunun için günah, oranıdır.
    5. Gofret günah membranlar deiyonize su ile temizlik ve azot gazı ile kuru.
  2. Numune hazırlama
    1. Kloroform 10 mg/mL bir konsantrasyon, π-karyolası molekülleri geçiyoruz.
    2. Spin-coater program: 5 2000 rpm hızlandırmak s, tutun 30 s ve stop rotasyon için döndürme. Spin-ceket π-karyolası çözüm Şekil 11'Fgösterildiği gibi günah membran yüzey üzerine.
      Not: Uygun gofret boyutu spin-kaplama için daha--dan 10 × 10 mm olmalıdır yüzey gerilimi bazen spin-kaplama malzeme üzerinde daha küçük gofret, örneğin engelleyen bu yana2, bir günah membran kılavuz için iletim elektron mikroskobu.
    3. Günah membran yüzey üzerinde 100 ° c sıcaklıkta bir ocağın üzerinde kaplı örnek koymak, o eritebilir ve oda sıcaklığında (Şekil 11G) yavaş yavaş sakin ol.
  3. Ölçümleri
    1. Örnek örnek kutusunda bir vida ile monte ve vakum odası (örnek odası) örnek sahibi koydu.
    2. Bir kapak ile vakum odası mühür ve döner bir Pompa Odası Vakum düzeyini az 1.000 kadar tahliye geçiş baba. Elektron-gun odası ~ 10-6 Pa (genellikle için daha 12 h) vakum düzeyde olana daha sonra moleküler turbo pompalar üzerinde geçiş yapabilirsiniz.
    3. Ti:sapphire lazer ve cıvıltı darbe amplifikatör geçin ve termal olarak onları daha 1 h stabilize. Zaman çözüldü elektron kırınım deneysel Kur Şekil 9' da verilmiştir. Tekrarlama oranı 500 Hz olarak ayarlayın.
    4. Şarj kuplajlı cihaz (CCD) kamera gerilim filmi geçin ve 10 ° C'ye sakin ol
    5. Elektrik güç kaynağı geçin ve 75 için voltaj ayarlamak kV.
      Not: Kaçak akım güç kaynağının 0.1 µA Aralık dışında dalgalanma değil.
    6. Özel çakışma. Laboratuvar kodlu otomatik program (Şekil 10A) açın ve çekim hızı (50 ms) ayarlayın. Z ekseni ve Y_overlap ve presleme Başlat düğmesini çakışma için Z_overlap için Başlangıç türünü ayarlayarak program kullanarak örnek tutucu donatılmış bir iğne deliği ile elektron ışını pozisyon bulmak.
    7. Elektron ışını iğne deliği konumunda ayarla ve iğne deliği ve sondaj tarafından pompa lazer yansıyan pompa ışık ile hizalayın.
    8. Saat sıfır konumu ile bir inorganik materyal (Bi2Te3) bir laboratuvar kodlu otomatik program (Şekil 10B) kullanarak örnek kutusunda ayar türü başlatmak için zaman karar vermek ve presleme tarafından ölçmek Başlat düğmesi. Bu işlem için pompa akım 2 mJ/cm2ayarlayın.
    9. Elektron ışını belgili tanımlık geçmek için Faraday fincan ekleyin ve elektron ışını ile laboratuvar inşa picoammeter akım ölçmek ve ayarlanabilir ND filtre sonda satırındaki döndürerek ayarlayın. Thefluence pompa darbe waveplate pompa hattı üzerinde döndürerek ayarlayın.
    10. Örnek konuma taşımak ve CCD kamera çekim hızı ayarlayın. Elektron kırınım görüntü türü başlatmak tek için ayar ve Başlat düğmesine basıldığında laboratuvar kodlu otomatik program (Şekil 10B) kullanarak elde edilir.
    11. CCD kamera Peltier öğesinde geçin ve -20 ° c sıcaklık aşağı sakin ol
    12. Saat adım ayarlamak ve zaman çözüldü ölçümler için adımları sayısı. Laboratuvar kodlu otomatik programı (Şekil 10B) türü başlamak zaman karar vermek için ayarlama ve Başlat düğmesine basıldığında kullanarak zaman çözüldü elektron kırınım görüntü elde.
    13. Zaman çözüldü arka plan görüntüsü değiştirme'yi laboratuvar kodlu otomatik program (Şekil 10B) kullanarak kapalı elektron ivme güç kaynağıyla türü başlamak zaman karar vermek için ayarlayarak elde etmek ve Başlat düğmesine basıldığında.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Bir eyer şeklinde π-karyolası iskelet43,44 LC molekül fotoaktif temel birimi olarak iyi tanımlanmış bir sütunlu yığın yapısı oluşturur ve Merkez sekiz membered karyolası halka göstermek için bekleniyor çünkü seçtik bir photoinduced konformasyon heyecanlı-devlet aromaticity19,45sayesinde düz bir biçime değiştirin. Bu malzemenin sentetik işlemi önceki yayın19içinde sağlanır. π-karyolası çekirdek birimi ve bir tipik dendritik karbon zinciri yan46,47, C204H324N4O12S4 ( moleküler formülü ile sentezlenmiş LC molekül oluşur Şekil 1). Malzeme oda sıcaklığında sıcaklık kontrol olmadan gerçekleştirilecek LC faz yapısal analizi etkin sütunlu bir LC faz sergiler. Şekil 2 Cu Kα radyasyon kullanılarak elde LC faz XRD desenini gösterir. Spektrum içinde birkaç tepeler (2θ < 10 ° c düşük kırınım açılarla ortaya d > 8.8 Å), ile birlikte geniş kırınım açısı geniş bir zirve (2θ ≈ 20 °; d ≈ 4.4 Å). LC yapısı eyer molekülleri birbiri içinde hizalama dikdörtgen sütunlu form olarak karakterizedir. XRD analiz kafes parametrelerinin vermiştir bir 62 = Å ve b 42 = Å. Yığılmış sütun cboyunca cins mesafe-eksen dendritik karbon zinciri yan kaynaklanan bir geniş kırınım tepe tarafından gizlenmiş. Bu durum için tipik sütunlu LC malzeme oldukça yaygındır.

Sütunlu LC malzeme photoinduced dinamikleri, farklı zaman ölçeği üzerinde yapısal hareketleri bir dizi oluşur. İlk olarak, bir konformasyonal değişim moleküler düzeyde oluşur. Bu photoexcited molekülleri π-Yığılmış sütunlar civarında gerçekleşecek deformasyonlar yerel paket yapısının tarafından takip ediyor. İlk geçici iletim spektroskopisi çeşitli pompa ve yoklama enerjileri ile optik uyarma onaylamak için π-karyolası molekülü, ince filmlerin üzerinde gerçekleştirilen ve photoinduced dynamics ilişkili. Geçici soğurma spektroskopisi bugünlerde ticari olarak kullanılabilir olduğu zaman çözüldü spektroskopisi, geleneksel türüdür. 100 fs chirped-nabız amplifikatör gelen optik darbe pompa ve yoklama kirişler ayrılmış. Bir dalga boyu 800, pompa kiriş (pompa darbe) darbe nm 266 nm dalga boyu fotonlar iki beta Baryum Borat (BBO) kristal tarafından dönüştürülür. Sonda kiriş (sonda darbe) darbe Safir bir pencereden beyaz ışık (500-700 nm) oluşturmak için odaklanmıştır. İki optik darbeler erimiş silis lensler kullanarak örnek odaklandık ve iletilen beyaz sonda Işını Spektrometre tarafından dağınık ve Si fotodiyot ile tespit edildi. Bizim deneylerde kullanılan pompa demetinin olay akım 1 mJ/cm2oldu. Örnek toplu CaF2bir substrat yayılmış, sıcak tabakta 100 ° C'de eriyen ve sonra yavaş yavaş soğutmalı oda sıcaklığında. Toplu BaF2 ve CaF2 yüzeylerde 150 üzerinden dalgaboyu aralığında şeffaf nm için 12 µm ve 130 10 µm, nm anılan sıraya göre. Ölçülebilir dalgaboyu aralığı bu malzemelerin örnek ve substrat kalınlığı gibi IR ışığın şiddetini bağlıdır.

Şekil 3 A 4.7 eV ve yaklaşık 2.1 eV (266 ve 500-700 nm dalga boyu), pompa ve yoklama enerjilerde sırasıyla geçici görünür geçirgenliği gösterir. UV ışık emer bir molekül hemen için bir denge üzerinden uzak devlet (Sn) ve transferler S1 durumuna 2 ps içinde Şekil 3' teBgösterilen heyecanlı olduğunu. Bir kez S1 ya da T1 devlet molekül S0 durumuna 20-150 PS (Şekil 4) verir. Ancak, heyecan durumu 1 için molekülleri küçük bir oranda kalır ns. Aşağıda ki formül ile geçici geçirgenliği ile donatılmış:

ΔT/T A1exp = (-t / τ1) + A2 exp (- t / τ2 ) + A3, (1)

nerede birinci ve ikinci dönem gösterir Üstel çürüme τ1 saat sabitler ile 20 ps ve τ2 = 150 ps =. Üçüncü dönem daha da uzun zaman ölçeği çürüme göstermektedir (> 500 ps).

Photoinduced konformasyon değişikliği onaylamak için biz zaman çözüldü IR titreşim spektroskopisinin π-karyolası ince film LC aşamasında gerçekleştirilen. 266 nm dalga boyunda UV istasyonlarında ve orta-kızılötesi (IR) prob dalga boyu 1050-1700 cm-1 saat çözüldü IR titreşim spektroskopisinin48,49,50,51 , deneysel kurulumu Şekil 5' te gösterilen. Laboratuvar kodlu otomatik program grafik kullanıcı arayüzü Şekil 6' da gösterilmiştir. Bir CaF2 substrat kaplı LC faz ve çözüm (1 mmol/L olarak CH2Cl2 solvent) π-karyolası molekülleri için iletim modunda ölçümleri yapıldı. Yakın-IR optik nabzı (800 nm), 120 fs darbe süresi olan, pompa ve yoklama kirişler ile kiriş kırık içine ayrıldı. Pompa darbe bir UV dönüştürüldü (266 nm) darbe iki BBO kristal ve kalsit kristal. Bir sonda darbe demeti bir fark-frekans-nesil kristal AgGaS2ile donatılmış bir optik parametrik amplifikatör kullanarak orta-IR dalga boyu (1000-4000 cm-1) dönüştürüldü. UV pompa ve IR orta sonda bakliyat lensler ile örnek üzerinde durulmuştur. Pompa ve yoklama kiriş açı of insidansı yaklaşık örnek yüzeye dik olarak ayarla. Tekrarlama oranı ve UV pompa darbe olay akım 500 Hz ve 1 mJ/cm2, sırasıyla idi. Geniş bant genişliği sonda darbe bir ızgara tarafından dağınık ve bir 64-kanal, HgCdTe IR dedektörü dizisi tarafından satın aldı. Silikon ultrafast elektronik yanıt pompa ve yoklama bakliyat örnek konumunda aynı anda geldiğinde "zaman-sıfır"52 belirlemek için kullanıldı. Örnek sahipleri farklı türleri örnekleri çözüm ve LC faz ölçmek için kullanılmıştır. 2 substrat bir kelepçe üzerinde basit bir optik sahibi tarafından tutulan CaF kaplı LC motorlu devlet monte. Motorlu sahne lazer kaynaklı zarar en aza indirmek için tutarsızca pompa-sonda ölçümleri ile spot odaklanan lazer göre örnek taşındı. Buna ek olarak, çözüm örnekte iki BaF2 pencere, örneği üzerinden 100 µm optik yol uzunluğu ile donatılmış bir hücreye laboratuvar inşa sıvı akış kullanılmaya başlandı. Bir diyafram pompa tarafından sağlanan bir kapalı döngü sistemi sıvı akış hücredir.

Eyer ve düz yapıları gözlenen IR-aktif modlarında yoğunluğu-fonksiyonel-teorisi (DFT) frekans hesaplamalara göre ayrıldı. DFT hesaplamalar ayrıntılarını ana metin ve bir önceki yayın19ek materyalleri temin edilmektedir. Elde edilen zaman çözüldü-moleküler titreşim modları düzlemsel π-karyolası biriminin evrimi spectra görüntülemek. Şekil 7 gecikme süresi ile birlikte hangi S0 ile eyer formunda spektrum çıkarılarak elde edildi hesaplanan T1-S0 fark titreşim spektrumu, 100 PS fark titreşim spektrumu gösterir T1düz formunda, spektrum. Rakam deneysel verileri ve hesaplamaları geniş birbirimizi ile anlaşma olduğunu göstermektedir. Daha iyi anlaşma ile T1-S0 spektrum S1-S0 spektrum ile elde edildi, S1 ve T1 en iyi duruma getirilmiş olsa da yapıları benzer düz biçimler sergiledi. Photoexcitation sonra biz birkaç titreşim spectra Peaks'e gözlenen. 1338 ve 1489 cm-1 karakteristik doruklarına 1183 wavenumbers, karşılık gelen germe modları karyolası ve tiyazol halkalar veya zayıf veya IR-etkin olmayan S0 eyer formunda biphenyl moieties ama güçlü-IR-aktif T1düz formunda. 1338 cm-1 en yüksek yoğunlukta zamana bağımlı evrimi dynamics için aynı geçici görünür iletim spektroskopi kullanarak gözlenen ortaya koymaktadır. Böylece, moleküler seviyede photoinduced dynamics 2 ps, 10-20 ps veya 150 ps (Şekil 8A) ilk eyer formunda için geri gevşeme tarafından takip π-karyolası biriminde eyer düz konformasyon değişikliği ile karakterizedir. Zaman çözüldü IR spectra Ayrıca EQ (1) ile monte edildi. Zaman-evrim göre π-karyolası çözüm (Şekil 8B) üzerinden IR en yüksek yoğunluk (1335 cm-1), sadece hızlı zaman-sabit (10-20 ps) gözlenmiştir. Bu nedenle, Şekil 3B ve Şekil 8B görülen hızlı zaman sabit genellikle yüzey veya arabirim LC malzemelerin bulunduğu izole molekülleri gevşeme dinamikleri karşılık gelir.

Ambalaj deformasyon photoexcited molekülleri yerlerde yoğun LC faz incelemek için zaman çözüldü elektron kırınım ölçümler uygulandı. Deneysel kurulum için kompakt istihdam, doğru akım (DC) elektron kırınım ölçümleri53,54 Şekil 9' da gösterilen hızlandırdı. Grafik Kullanıcı arabirimleri laboratuvar kodlu otomatik programlar Şekil 10' gösterilir. Şekil 11' de numune hazırlama süreci özetledi ve örnek film kalınlığı tek dalga boyu ile tespit edilmiştir (635 nm) ~ 100 yaşına kadar polarizör nerede metodoloji vardı içinde sağlanır, nm, M. ve ark. 55. küme iyon demeti ışınlama için kullanılan metal maskesi detayını Şekil 12' sağlanır.

Yakın-IR optik nabzı (800 nm) ile darbe süresi 120 fs iki kiriş kiriş dallandırıcıyla ayrıldı: pompa ışın ve sonda ışın. Yakın-IR darbe pompa Işın UV dönüştürüldü (266 nm) BBO kristal bir kalsit kristal tarafından ve başka bir BBO kristal üçüncü harmonik üretimi (THG) ardından ikinci harmonik üretimi (SHG) kullanarak darbe. Kalsit kristal THG için ikinci BBO crystal adlı aynı anda geldikleri temel ışık ve SHG ışık varış saati ayarlamak için kullanılır. Pompa nabız photoexcite ~ 100 nm kalın film π-karyolası molekülünün bir erimiş silis lens tarafından LC aşamasında odaklanmıştır. Yakın-IR nabız yoklama kiriş içinde aynı şekilde UV nabzı dönüştürüldü ve bir elektron darbe üretmek için altın bir photocathode odaklı oldu. Elektron oluşturmak için kullanılan UV darbe süresi için 25 mm kalınlığında erimiş silis plaka tarafından gerilmiş > 500 fs. İçin kullanılan vakum odası zaman çözüldü-elektron kırınım iki bölümden, yani, silah odası ve örnek odası ayrıldı. Photocathode ve elektrot ~ 10-6 Pa vakum düzeyinde elektron-silah odasında yerleştirildi ve örnek ~ 10-4 baba. vakum bir düzeyde örnek odasında yerleştirildi Elektron nabız 75 bir enerji için hızlandırılmış bir DC alana göre keV. Diffracted ve doğrudan örnek aktarılan elektronlar bir P43 (Gd2O2S:Tb) fosfor scintillator ile kaplı bir 1:2 fiber birleştiğinde CCD kamera üzerine manyetik bir objektifle durulmuştur. Pompa ve sonda nabız arasında gecikme pompa ışın optik bir durumda tarafından çeşitli.

Nokta boyutlarını UV pompanın nabız ve sonda elektron darbe olmak 210 ve 100 µm, anılan sıraya göre bir bıçak kenarı kullanılarak ölçüldü. Olay lazer akım 1.2 mJ/cm2oldu. İletim ve yansıtma örnek ölçülen sırasıyla % 40 ve % 30, için, emme akım20,36 mJ/cm olarak tespit edilmiştir. Photoinduced yapısal değişiklikler malzeme içinde 2 × 104 elektron (3 fC) içeren elektron darbeleri ile araştırıldı. Saat sıfır bir inorganik materyal (Bi2Te3)56atomik ultrafast yanıtından tespit edilmiştir. Elektron ışınının darbe süresi 1 ps sırasına olmak bir plazma yöntemi57tarafından tespit edilmiştir. Qarasındaki ilişki-değeri ve CCD kamera piksel boyutunu Ayrıca kalibre (110) ve (300) kırınım noktalar bı2Te3kullanarak. Bir elektron kırınım görüntü elde etmek için 1 × 104 elektron bakliyat 500 Hz yineleme oranında toplanmıştır. Amorf (Şekil 13A) çünkü günah membran kalitesi, elektron kırınım deseni tarafından yani, belirlenir elektron kırınım deseni günah membran gözlenen olamaz.

Uzun karbon zincirleri (Şekil 13B), geniş XRD zirveye benzer kaynaklanan bir kötü tanımlanmış, geniş halo yüzüğü gösterdi LC ince film iki boyutlu elektron kırınım desenlerini gözlenen difraksiyon açıyla 2θ ≈ 20 °. Genellikle LC malzemelerinde görülmektedir, bu geniş halo kırınım doruklarına uzun karbon zinciri tarafından üretilen ve birkaç tepeler fonksiyonel çekirdekli yan (Şekil 14) kaynaklanan bir dizi oluşur. Photoirradiation gibi dış uyaranlara altında yapısal deformasyonlar uyaranlara duyarlı çekirdek moieties indüklenen vardır ve modülasyon tepe kırınım deseni daha sonra oluşur. İlk kırınım deseni 500 ps UV darbe ışınlama sonra elde dan çıkararak, UV ışınlama tarafından indüklenen modüle kırınım deseni ayıklayabilirsiniz. Açıkça gözlemlenebilir negatif ve pozitif yüzük (Şekil 13C), en yüksek modülasyon az miktarda rağmen elde edilen fark kırınım deseni de tanımlanmıştır. Olumlu doruklarına yeni sıralı yapısı oluşumu gösterir iken özgün yapısından negatif doruklarına photoirradiation yok.

-50 ve 500 fark kırınım kalıplarının radyal ortalamalar ps UV darbe ışınlama sonra Şekil 15içindeAsunulmaktadır. Negatif tepeler gözlenen Qgeliştirmek için-0,245 Å-1 ve 0.270 Å-1değerleri. Moleküler dinamiği (MD) simülasyonları kullanarak, Şekil 15' teBgösterilen farklı elektron kırınım deseni hesaplanır. MD hesaplamalar ayrıntılarını ana metin ve referans 19 ek materyalleri sağlanır. Photoexcitation önce periyodik uzunlukları 4.55 Å ve 3.7 Å periodicity c-ekseni boyunca π-karyolası moleküllerin ve π yığılmış arasındaki uzaklık karşılık gelen yapısı vardı, montaj, MD simülasyonları için deneysel verilerin öneriyor biphenyl birimleri, sırasıyla. Ayrıca karşılık gelen dynamics zaman çözüldü elektron kırınım kullanarak görülmektedir kayda değer olduğunu. Negatif ve pozitif kırınım tepeler yoğunluklarda zaman evrimi Şekil 16' da gösterilen. π π yığınlama imha 300 ps bir zaman ölçeği üzerinde oluşur ve moleküler framework eyer düz konformasyonal değişim yavaştır. Pozitif zirve (0.37 Å-1) photoexcitation sonra 200 ps artmaya başlar.

Daha fazla zaman çözüldü spektroskopisi ve kırınım yorumlayabilmek için örnek photoexcitation düzeyde ele alınmalıdır. Olay fotonlar (1.2 mJ/cm2) sayısı ve moleküllerin sayısı birim alan kullanarak, UV ışığı absorbe ve potansiyel olarak eyer düz konformasyonal değişim geçmesi molekülleri yaklaşık % 25 hesaplanır. Geçici iletim spektroskopisi ve IR titreşim spektroskopisinin zaman çözüldü tarafından gösterildiği gibi çoğu photoexcited molekülleri 150 PS başlangıç durumu için rahat ama bazı moleküllerin oldukça yavaş dynamics LC aşamasında sergiledi. Özellikle, düz biçimsel 300-1000 ps için 7-%8 photoexcited moleküller, malzeme, tüm molekülleri en az % 2'si kaldı. Böylece, bu basık photoexcited moleküller heyecansız eyer şekilli moleküller arasında sıkışmış. Sonraki ambalaj deformasyonlar yığılmış sütun keşfetmek için biz daha fazla MD hesaplamalar, eyer-eyer-düz-eyer-eyer conformers Nişanı ile düzenlenmiş beş yığılmış molekülleri dikkate alınarak gerçekleştirilen. Sütunlu yapı, komşu moleküllerin katı biphenyl parçalar karşı önemli steric itme photoexcited molekülünün eyer düz konformasyonal değişim neden olmaktadır. Steric engel önlemek için yerel yapısal deformasyonlar ~ 300 PS bir zaman ölçeği üzerinde yığılmış molekülleri bükme hareketleri tetikledi.

Şekil 17' de bizim bulgular π-karyolası molekülleri photoinduced dinamikleri için özetler. UV-photoexcitation T1 veya S1 photoresponsive çekirdek birkaç picoseconds içinde bir eyer düz konformasyonal değişim tetikler. Daire şeklinde, elektronik olarak heyecanlı moleküllerin en özgün formlarına 20 ps (için izole moleküller) veya (için yığılmış moleküller) 150 ps içinde sakin ol. Ancak, küçük bir yüzdesi eyer şekilli moleküller arasında gözükeceksin LC faz kalır. Tek sıra halinde sevk yapısında farklı şekilli moleküller arasında steric etkileri nedeniyle bükme hareketleri yerel yığın yapısı yok etmek ve yeni bir periyodik olarak inşa 300 ps içinde meydana gelir.

Figure 1
Resim 1: kimyasal yapısı π karyolası-tabanlı LC molekül. π karyolası-tabanlı LC molekülünün moleküler formülü C204H324N4O12S4 3153.03 moleküler ağırlığı ile olur. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 2
Resim 2: statik XRD spektrum. X-ışını kırınım deseni birkaç tepeler, kırmızı oklar tarafından belirtildiği şekilde görüntüler. Bu kırmızı oklarla gösterilen en yüksek atama Hada, ek materyalleri içinde gösterilir M. ve ark. 19. mavi battaniye π-karyolası molekül (001) pik gösterir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 3
Şekil 3 : Zaman geçici iletim spektrum evrimi. (A) yükselen sinyal bileşeni bir zaman sabit 2 PS ve (B) gevşeme zamanı sabitleri vardır 20 ve 150 ps. Bu rakam vardı, adapte edilmiş M. ve ark. 19. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 4
Şekil 4 : π karyolası konformasyonal değişim şematik enerji diyagramı çekirdek Gordon Düz (S1 veya TRT1) yapısı bir eyer (S0) dinamik geçiş geçici iletim spektrum. belirlenir Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 5
Şekil 5: IR titreşim spektroskopisinin zaman karar vermek için deneysel kurulumu gösteren Şematik diyagramı. Bir Ti:sapphire osilatör bir IR HuffPost'un ile bir dalga boyu 800 nm, darbe süresi 120 fs, güç 80 MHz ~ 10 nJ ve tekrarlama oranı. Chirped darbe amplifikatör bu darbe ~ 4 MJ ve tekrarlama oranı 1 kHz ile bir kuvvete yükseltir. Sembolleri BS, λ/2, BBOs ve kalsit ve ODL ışın bölücü, λ/2 waveplate, Turnuvaların ve kalsit kristalleri ve optik gecikme hattı, sırasıyla temsil eder. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 6
Şekil 6: Grafik Kullanıcı arayüzü IR titreşim spektroskopisinin zaman karar vermek için laboratuvar inşa programı. (A) gecikme için birimleri ayarlama. (B) HgCdTe kızılötesi spektrometre için panelleri kontrol. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 7
Şekil 7: TIR spektroskopisi IME çözüldü, bir π karyolası-tabanlı LC ince film. (a, B) Belirli bir gecikme süresiyle 100 PS hesaplanan fark titreşim spektrumu (T1-S0) için karşılaştırıldığında fark IR titreşim spektrumu ölçüldü. Ölçekleme için hesaplanan spektrum 0,97 faktördür. (C) titreşim en yüksek görev için T1 spektrum. Tepeler karyolası ve tiyazol halkalar, alkoxy veya biphenyl grubunun titreşim modları sınıflandırılır. Bu rakam vardı, adapte edilmiş M. ve ark. 19. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 8
Şekil 8 : Zaman IR en yüksek yoğunluk evrimi. (A) temsilcisi wavenumbers 1338 cm-1 LC faz ve (B) 1335 cm-1 çözüm aşamasında bulunmaktadır. Hızlı (20 ps) ve yavaş (150 ps) zaman-sabitler izole molekülleri ve molekülleri LC aşamasında gözlenen dynamics aynıdır. Siyah noktalar ve kırmızı düz çizgiler deneysel veriler ve EQ (1), sırasıyla verilen monte üstel eğri temsil eder. Rakamlar ilave her şekil withlogarithmic ekran büyütülmüş görüşlerini temsil eder. Bu rakam vardı, adapte edilmiş M. ve ark. 19. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 9
Şekil 9: zaman çözüldü Elektron Kırınımı için deneysel kurulumunun Şematik çizimde. Bir darbe chirped amplifikatör 800 nm dalga boyu, darbe süresi 120 FS'nin, güç ~2.5 MJ ve tekrarlama oranı 1 kHz ile optik bir HuffPost'un. Semboller BBOs ve kalsit, FS ve FC BBO ve kalsit kristalleri, erimiş silis ve faraday kap, sırasıyla temsil eder. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 10
Şekil 10: Grafik Kullanıcı arabirimi zaman çözüldü Elektron Kırınımı için programlar. (A) özel örtüşme GUI. İğne deliği geçirilen elektron ışını görüntü alanını gösterir. Grafik alanı elektron ışını yoğunluğu ile iğne deliği pozisyonların bir işlev gösterir. Örnek sahibi (ve iğne deliği) otomatik olarak donatılmış z ekseni ve y ekseni aşamaları hareket ve ne zaman bir tür başlatmak Z_overlap ve Y_overlapseçer ve başlangıç basar elektron ışını yoğunluğunu çizilir düğmesi. (B) GUI zaman çözüldü elektron kırınım ölçümler için. Görüntü alanını elektron kırınım desen gösterir. Optik gecikme hattı aşaması otomatik olarak hareket eder ve bir zaman çözüldü Başlangıç türünü seçer ve Başlat düğmesine basar, elektron kırınım kalıpları alınır. Statik kırınım da tek seçerek türü başlatmak ve Başlat düğmesine basıldığında ile elde edilir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 11
Şekil 11: bir günah membran yapmak protokolü. (A) Si gofret günah ince bir film her iki tarafta ile kaplanır. (B, C) Bir Ar küme İyon ışını kullanarak ışınlama günah ince film gofret bir tarafındaki kaldırır. (D) Si gravür bir KOH çözümle. (E) SiN membran örnek substrat için. (F) spin kaplı ön tarafını substrat örnek çözümüdür. (G) örnek yüzey üzerinde 100 ° C'ye kadar ısıtılır ve oda sıcaklığında aşağı soğutmalı. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 12
Şekil 12: tasarım metal maskesi. Metal maskesi paslanmaz çelikten imal edilmiştir. Delik boyutunu (d: 1,1 mm) penceresinin boyutunu tarafından belirlenir (w: 0,5 mm) ve gofret kalınlığı (l: 0,3 mm) d denklem = w + 2l. Kare şekli windows yuvarlak şekil delik Si gofret izotropik gravür nedeniyle oluşturulabilir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 13
Şekil 13: elektron kırınım desenleri bir π karyolası-tabanlı LC ince film. (A) elektron kırınım deseni günah membran yüzey üzerinden. (B) elektron kırınım deseni LC ince film π karyolası-tabanlı photoexcitation olmadan. (C) fark kırınım deseni ile ve photoexcitation olmadan elde fromπ karyolası-tabanlı LC ince film. Ölçek Bar şekilde ilave edilir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 14
Şekil 14 : Fark kırınım yönteminin şematik. (A) doruklarına photoresponsive moieties gelen uzun karbon zinciri üzerinden geniş halo desende gömülüdür. (B) fark kırınım yöntemi doruklarına photoresponsive moieties üzerinden algılayabilir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 15
Şekil 15: Ultrafast zaman çözüldü elektron kırınım gelen bir π karyolası-tabanlı LC ince film. (A) farklı elektron kırınım deseni -50 ve 500 ps. Kırmızı ve mavi oklar, pozitif ve negatif tepeler, sırasıyla gösterir. (B) simüle fark elektron kırınım deseni sütunlu yapı π-yığılmış bir MD hesaplama üzerine dayalı. Bu rakam vardı, adapte edilmiş M. ve ark. 19. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 16
Şekil 16: zaman evrim elektron kırınım doruklarına. (A) Q-0,245 Å-1 ve (B) 0.37 Å-1değerleri. Burada, Q-değer kafes uzaklık (d) karşılıklı sayısı olarak tanımlanır. Hata çubukları 20 ölçümleri standart sapması mevcut. Bu rakam vardı, adapte edilmiş M. ve ark. 19. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 17
Şekil 17: photoexcited yapısal dinamikleri sütunlu LC. Sütunlu LC yapı dinamiği IR titreşim spektroskopisinin zaman karar vermek ve zaman çözüldü elektron kırınım kullanarak tespit edildi. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Zaman çözüldü elektron kırınım ölçümleri sürecinde önemli bir adım yüksek gerilim Bakımı (75 keV) photocathode ve anot arasındaki mesafe beri geçerli dalgalanma olmadan sadece ~ 10 mm plakadır. Geçerli 0.1 µA aralığı önce veya deneyler sırasında dalgalanma gösteriyorsa, 90 kadar ivme voltajı yükseltin deşarj ve daha 75'e ayarlamak için keV keV. Bu Klima işlem geçerli 0.1 µA aralığında değişiklik gösterir kadar yapılması gerekiyor. Uygun elektron kaynağı dielektrik yeterli gücü ile bu tür makinesi geliştirmek için en önemli nokta tasarımıdır.

Genel olarak, IR titreşim spektroskopisinin zaman karar vermek ve zaman çözüldü elektron kırınım teknikleri sadece photoinduced yapısal değişiklikleri meydana malzemeler için uygulanabilir. Ancak, bu teknikler elektron sonda x-ışını probları, daha duyarlı ışık elemanları (karbon, oksijen, azot, hidrojen, vb) konumlara olduğundan yapısal dinamikleri yumuşak malzeme üzerinde gözlemlemek için büyük avantajlara sahip ve IR orta sonda ışığın dalga boyu diğer yelpazesi ile daha hafif öğeleri arasındaki bağları titreşim moduna daha duyarlı olduğundan.

Özetle, diferansiyel-algılama analizleri kombinasyonu zaman-IR titreşim spektroskopisinin ve elektron diffractometry yapıları doğrudan gözlem ve LC malzemeleri dinamikleri sağlayabilir çözüldü. Bu yaklaşım daha genel olarak hücre membran proteinlerinin, bilim için yeni bir yön ultrafast yapısal dinamiklerin düşündüren gibi karmaşık yumuşak konu sistemlerde uyaranlara yanıt veren birimler yerel yapısal hareketleri belirlemek için uygulanır.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarlar ifşa gerek yok.

Acknowledgments

Dr. S. Tanaka Tokyo Teknoloji Enstitüsü'nde IR titreşim spektroskopisinin ölçümler zaman karar vermek için ve Prof. M. Hara ve Dr. K. Matsuo Nagoya Üniversitesi XRD ölçümler için teşekkür ederiz. Prof. Dr. S. Yamaguchi Nagoya Üniversitesi Kiel Üniversitesi'nde Prof. Dr. R. Herges ve Prof. Dr. R. J. D. Miller yapısı Max Planck Enstitüsü ve Dynamics konu değerli tartışma için ayrıca teşekkür ederiz.

Bu eser Japon bilim teknoloji (JST tarafından), saygınlık, "moleküler teknoloji ve yeni işlevler oluşturma" projelerin finansmanı için desteklenir (Grant JPMJPR13KD, JPMJPR12K5 ve JPMJPR16P6 sayısı) ve "Işık enerjisi kimyasal dönüşüm". Bu eser de kısmen JSP'ler Grant numaraları JP15H02103, JP17K17893, JP15H05482, JP17H05258, JP26107004 ve JP17H06375 tarafından desteklenir.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Chirped pulse amplifier Spectra Physics Inc. Spitfire ACE For time-resolved IR vibration spectroscopy
Chirped pulse amplifier  Spectra Physics Inc. Spitfire XP For time-resolved electron diffractometry
Femtosecond laser Spectra Physics Inc. Tsunami For time-resolved IR vibration spectroscopy
Femtosecond laser Spectra Physics Inc. Tsunami For time-resolved electron diffractometry
Optical parametric amplifier Light Conversion Ltd. TOPAS prime
64-channel mercury cadmium tellurium IR detector array Infrared Systems Development Corporation FPAS-6416-D
FT-IR spectrometer Shimadzu Corporation IR Prestige-21
High voltage supply Matsusada precision HER-100N0.1
Rotary pump Edwards RV12
Molecular turbo pumps Agilent Technologies Japan, Ltd. Twis Torr 304FS
Vacuum gauges Pfeiffer vacuum systems gmbh PKR251 For ICF70 flange
Vacuum monitors Pfeiffer vacuum systems gmbh TPG261
Fiber coupled CCD camera Andor Technology Ltd. iKon-L HF
BaF2 and CaF2 substrates Pier optics Thickness 3 mm
AgGaS2 crystal Phototechnica Corporation Custom-order
BBO crystals Tokyo Instruments, Inc. SHG θ=29.2 deg
THG θ=44.3 deg
calcite crystals Tokyo Instruments, Inc. Thickness 1mm
Optical mirrors Thorlabs PF10-03-F01
PF10-03-M01
UM10-45A		 Al coat mirrors
Au coat mirrors
Ultrafast mirrors
Optical mirrors HIKARI,Inc. Broadband mirrors
Dichroic mirrors HIKARI,Inc. Custom-order
Reflection: 266 nm
Transmission: 400, 800 nm
Optical chopper Newport Corporation 3501 optical chopper
Optical shutters Thorlabs Inc. SH05/M
SC10
Optical shutters SURUGA SEIKI CO.,LTD. F116-1
Beam splitters Thorlabs Inc. BSS11R
Fused-silica lenses Thorlabs Inc. LA4663
LA4184
BaF2 lens Thorlabs Inc. LA0606-E
Polarized mirrors Sigmakoki Co.,Ltd Custom-order
Designed for 800 nm
Reflection: s-polarized light
Transmission : p-polarized light
Half waveplate Thorlabs Inc. WPH05M-808
Mirror mounts Thorlabs Inc. POLARIS-K1
KM100		 Kinematic mirror mounts
Mirror mounts Sigmakoki Co.,Ltd MHAN-30M
MHAN-30S		 Gimbal mirror mounts
Mirror mounts Newport Corporation ACG-3K-NL Gimbal mirror mounts
Variable ND filters Thorlabs Inc. NDC-25C-2M
Beam splitter mounts Thorlabs Inc. KM100S
Lens mounts Thorlabs Inc. LMR1/M
Rotational mounts Thorlabs Inc. RSP1/M
Retroreflector Edmund Optics 63.5MM X 30" EN-AL 
spectrometers ocean photonics USB-4000
Power meter Ophir 30A-SH Used for intensity monitor of CPA
Power meter Thorlabs Inc. S120VC
PM100USB		 Used for intensity measurements of pump pulse
Photodiodes Thorlabs Inc. DET36A/M
DET25K/M
DC power supply TEXIO PW18-1.8AQ Used for magnetic lens
Magnetic lens Nissei ETC Co.,Ltd Custom-order
Stages Newport Corporation M-MVN80V6
LTAHLPPV6		 Used for magnetic lens
Stage controller Newport Corporation SMC100
Stages  Sigmakoki Co.,Ltd SGSP20-35(X)
SGSP20-85(X)		 Used for sample position
Stages  Sigmakoki Co.,Ltd SGSP26-200(X)
OSMS26-300(X)		 Used for delay time generator
Stage controller Sigmakoki Co.,Ltd SHOT-304GS
Picoammeter Laboratory built
spin coater MIKASA Co.,Ltd 1H-D7
hot plate IKA®  C-MAG HP7
SiN wafer Silson Ltd Custom-order
KOH aqueous solution (50%) Hiroshima Wako Co.,Ltd. 168-20455
Chloroform Hiroshima Wako Co.,Ltd. 038-18495
Dichloromethane Hiroshima Wako Co.,Ltd. 132-02456
Personal computers for the controlling programs Epson Corporate Endeavor MR7300E-L 32-bit operation system
Program for the control the equipment National Instruments Corporation Labview2016
Program for the data analysis The MathWorks, Inc. Matlab2015b

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Van Haaren, J., Broer, D. In search of the perfect image. Chem. Ind. 24, 1017-1021 (1998).
  2. Handbook of Liquid Crystals. Goodby, J. W., Collings, P. J., Kato, T., Tschierske, C., Gleeson, H. F., Raynes, P. , Wiley-VCH. Weinheim. (2014).
  3. Liquid Crystal Beyond Displays. Li, Q. , John Wiely & Sons. Hoboken. (2012).
  4. Kato, T. Self-assembly of phase-segregated liquid crystal structures. Science. 295, 2414-2418 (2002).
  5. Fleismann, E. K., Zentel, R. Liquid-Crystalline Ordering as a Concept in Materials Science: From Semiconductors to Stimuli-Responsive Devices. Angew. Chem. Int. Ed. 52, 8810-8827 (2013).
  6. Sergeyev, S., Pisula, W., Geerts, Y. H. Discotic liquid crystals: a new generation of organic semiconductors. Chem. Soc. Rev. 36, 1902-1929 (2007).
  7. Goodby, J. W. Mesogenic molecular crystalline materials. Curr. Opin. Solid State Mater. Sci. 4, 361-368 (1999).
  8. Ichimura, K. Photoalignment of Liquid-Crystal Systems. Chemical Reviews. 100, 1847-1873 (2000).
  9. Ikeda, T. Photomodulation of liquid crystal orientations for photonic applications. J. Mater. Chem. 13, 2037-2057 (2003).
  10. Browne, W. R., Feringa, B. L. Making molecular machines work. Nat. Nanotech. 1, 25-35 (2006).
  11. Ikeda, T., Mamiya, J., Yu, Y. Photomechanics of liquid-crystalline elastomers and other polymers. Angew. Chem., Int. Ed. 46, 506-528 (2007).
  12. Sagara, Y., Kato, T. Brightly Tricolored Mechanochromic Luminescence from a Single-Luminophore Liquid Crystal: Reversible Writing and Erasing of Images. Angew. Chem. Int. Ed. 50, 9128-9132 (2011).
  13. Miyajima, D., et al. Ferroelectric columnar liquid crystal featuring confined polar groups within core-shell architecture. Science. 336, 209-213 (2012).
  14. White, T. J., Broer, D. J. Programmable and adaptive mechanics with liquid crystal polymer networks and elastomers. Nat. Mater. 14, 1087-1098 (2015).
  15. Saito, S., et al. Light-melt adhesive based on dynamic carbon frameworks in a columnar liquid-crystal phase. Nat. Commun. 7, 12094 (2016).
  16. Lagerwall, J. P. F., Giesselmann, F. Current Topics in Smectic Liquid Crystal Research. Chem. Phys. Chem. 7, 20-45 (2006).
  17. Yoon, H. G., Agra-Kooijman, D. M., Ayub, K., Lemieux, R. P., Kumar, S. Direct Observation of Diffuse Cone Behavior in de Vries Smectic-A and -C Phases of Organosiloxane Mesogens. Phys. Rev. Lett. 106, 087801 (2011).
  18. Takanishi, Y., Ohtsuka, Y., Takahashi, Y., Kang, S., Iida, A. Chiral doping effect in the B2 phase of a bent-core liquid crystal: The observation of resonant X-ray satellite peaks assigned to the 5/10 layer periodic structure. Euro. Phys. Lett. 109, 56003 (2015).
  19. Hada, M., et al. Structural Monitoring of the Onset of Excited-State Aromaticity in a Liquid Crystal Phase. J. Am. Chem. Soc. 139, 15792-15800 (2017).
  20. Cavalleri, A., et al. Femtosecond Structural Dynamics in VO2 during an Ultrafast Solid-Solid Phase Transition. Phys. Rev. Lett. 87, 237401 (2001).
  21. Hada, M., Okimura, K., Matsuo, J. Characterization of structural dynamics of VO2 thin film on c-Al2O3 using in-air time-resolved x-ray diffraction. Phys. Rev. B. 82, 153401 (2010).
  22. Eichberger, M., et al. Snapshots of cooperative atomic motions in the optical suppression of charge density waves. Nature. 468, 799-802 (2010).
  23. Ichikawa, H., et al. Transient photoinduced 'hidden' phase in a manganite. Nat. Mater. 10, 101-105 (2011).
  24. Hada, M., Okimura, K., Matsuo, J. Photo-induced lattice softening of excited-state VO2. Appl. Phys. Lett. 99, 051903 (2011).
  25. Zamponi, F., Rothhardt, P., Stingl, J., Woerner, M., Elsaesser, T. Ultrafast large-amplitude relocation of electronic charge in ionic crystals. P. Natl. Acad. Sci. USA. 109, 5207-5212 (2012).
  26. Beaud, P., et al. A time-dependent order parameter for ultrafast photoinduced phase transitions. Nat. Mater. 13, 923-927 (2014).
  27. Morrison, V. R., et al. A photoinduced metal-like phase of monoclinic VO revealed by ultrafast electron diffraction. Science. 346, 445-448 (2014).
  28. Han, T. -R. T., et al. Exploration of metastability and hidden phases in correlated electron crystals visualized by femtosecond optical doping and electron crystallography. Sci. Adv. 5, 1400173 (2015).
  29. Waldecker, L., et al. Time-domain separation of optical properties from structural transitions in resonantly bonded materials. Nat. Mater. 14, 991-995 (2015).
  30. Minitti, M. P., et al. Imaging Molecular Motion: Femtosecond X-Ray Scattering of an Electrocyclic Chemical Reaction. Phys Rev. Lett. 114, 255501 (2015).
  31. Kim, K. H., et al. Direct observation of bond formation in solution with femtosecond X-ray scattering. Nature. 518, 385-389 (2015).
  32. Gao, M., et al. Mapping molecular motions leading to charge delocalization with ultrabright electrons. Nature. 496, 343-346 (2013).
  33. Ishikawa, T., et al. Direct observation of collective modes coupled to molecular orbital-driven charge transfer. Science. 350, 1501-1505 (2015).
  34. Xian, R., et al. Coherent ultrafast lattice-directed reaction dynamics of triiodide anion photodissociation. Nat. Chem. 9, 516-522 (2017).
  35. Chapman, H. N., et al. Femtosecond X-ray protein nanocrystallography. Nature. 470, 73-77 (2011).
  36. Ishikawa, T., et al. A compact X-ray free-electron laser emitting in the sub-ångström region. Nature Photonics. 6, 540-544 (2012).
  37. Zewail, A. H. Four-dimensional electron microscopy. Science. 328, 187-193 (2010).
  38. Sciaini, G., Miller, R. J. D. Femtosecond electron diffraction: heralding the era of atomically resolved dynamics. Rep. Prog. Phys. 74, 096101 (2011).
  39. Hada, M., Pichugin, K., Sciaini, G. Ultrafast structural dynamics with table top femtosecond hard X-ray and electron diffraction setups. Euro. Phys. J. Special Topic. 222, 1093-1123 (2013).
  40. Miller, R. J. D. Mapping atomic motions with ultrabright electrons: the chemists' gedanken experiment enters the lab frame. Annu. Rev. Phys. Chem. 65, 583-604 (2014).
  41. Seki, T., Murase, T., Matsuo, J. Cluster size dependence of sputtering yield by cluster ion beam irradiation. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 242, 179-181 (2006).
  42. Mueller, C., Harb, M., Dwyer, J. R., Miller, R. J. D. Nanofluidic Cells with Controlled Pathlength and Liquid Flow for Rapid, High-Resolution In Situ Imaging with Electrons. J. Phys. Chem. Lett. 4, 2339-2347 (2013).
  43. Mouri, K., Saito, S., Yamaguchi, S. Highly Flexible π-Expanded Cyclooctatetraenes: Cyclic Thiazole Tetramers with Head-to-Tail Connection. Angew. Chem. Int. Ed. 51, 5971-5975 (2012).
  44. Mouri, K., Saito, S., Hisaki, I., Yamaguchi, S. Thermal 8π electrocyclic reaction of heteroarene tetramers: new efficient access to π-extended cyclooctatetraenes. Chem. Sci. 4, 4465-4469 (2013).
  45. Rosenberg, M., Dahlstrand, C., Kilså, K., Ottosson, H. Excited State Aromaticity and Antiaromaticity: Opportunities for Photophysical and Photochemical Rationalizations. Chem. Rev. 114, 5379-5425 (2014).
  46. Kato, T., Mizoshita, N., Kishimoto, K. Functional Liquid-Crystalline Assemblies: Self-Organized Soft Materials. Angew. Chem. Int. Ed. 45, 38-68 (2006).
  47. Rosen, B. M., et al. Dendron-Mediated Self-Assembly, Disassembly, and Self-Organization of Complex Systems. Chem. Rev. 109, 6275-6540 (2009).
  48. Fukazawa, N., et al. Time-Resolved Infrared Vibrational Spectroscopy of the Photoinduced Phase Transition of Pd(dmit)2 Salts Having Different Orders of Phase Transition. J. Phys. Chem. C. 117, 13187 (2013).
  49. Mukuta, T., et al. Infrared Vibrational Spectroscopy of [Ru(bpy)2(bpm)]2+ and [Ru(bpy)3]2+ in the Excited Triplet State. Inorg. Chem. 53, 2481-2490 (2014).
  50. Tanaka, S., Takahashi, K., Hirahara, M., Yagi, M., Onda, K. Characterization of the excited states of distal-. and proximal-.[Ru(tpy)(pynp)OH2]2+ in aqueous solution using time-resolved infrared spectroscopy. J. Photochem. Photobio. A. 313, 87-98 (2015).
  51. Mukuta, T., Tanaka, S., Inagaki, A., Koshihara, S., Onda, K. Direct Observation of the Triplet Metal-Centered State in [Ru(bpy)3]2+ Using Time-Resolved Infrared Spectroscopy. ChemistrySelect. 1, 2802-2807 (2016).
  52. Epp, S. W., et al. Time zero determination for FEL pump-probe studies based on ultrafast melting of bismuth. Str. Dyn. 4, 054308 (2017).
  53. Hada, M., et al. Cold ablation driven by localized forces in alkali halides. Nat. Commun. 5, 3863 (2014).
  54. Hada, M., et al. Ultrafast time-resolved electron diffraction revealing the nonthermal dynamics of near-UV photoexcitation-induced amorphization in Ge2Sb2Te5. Sci. Rep. 5, 13530 (2015).
  55. Hada, M., et al. Evaluation of Damage Layer in an Organic Film with Irradiation of Energetic Ion Beams. Jpn. J. Appl. Phys. 49, 036503 (2010).
  56. Hada, M., et al. Bandgap modulation in photoexcited topological insulator Bi2Te3 via atomic displacements. J. Chem. Phys. 145, 024504 (2016).
  57. Manz, S., et al. Mapping atomic motions with ultrabright electrons: towards fundamental limits in space-time resolution. Faraday Discuss. 77, 467-491 (2015).

Tags

Kimya sorunu 135 zaman çözüldü elektron kırınım kızılötesi titreşim spektroskopisinin zaman çözüldü yapısal dynamics femtosecond lazer ultrafast olayları likit kristaller
Yapısal Photoresponsive sıvı kristaller dinamikleri gözlemlemek için yeni teknikleri
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Hada, M., Saito, S., Sato, R.,… More

Hada, M., Saito, S., Sato, R., Miyata, K., Hayashi, Y., Shigeta, Y., Onda, K. Novel Techniques for Observing Structural Dynamics of Photoresponsive Liquid Crystals. J. Vis. Exp. (135), e57612, doi:10.3791/57612 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter