مقالة منهجية

التحول الشرقي في الكريستال السائل الناجم عن النمو الديناميكي للصفائح الرطب بينية

DOI:

10.3791/55729

⸱

مايو 15, 2017

 , 
1RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS)

في هذه المقالة

ملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

هنا، نقدم بروتوكول لتحريك التحول الموجه من الكريستال السائل ردا على درجة الحرارة. وتوصف المنهجيات لإعداد عينة من أجل مراقبة الانتقال والتطور الانتقالي المفصل.

الملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

في الكريستال السائل (لك) الكيمياء الفيزيائية، والجزيئات بالقرب من السطح تلعب دورا كبيرا في السيطرة على التوجه السائبة. حتى الآن، وذلك أساسا لتحقيق دول التوجه الجزيئي المطلوب في يعرض لك، وقد تم دراسة خاصية سطح "ثابت" ل لس، ما يسمى رسو السطح، بشكل مكثف. وكقاعدة عامة، بمجرد أن يكون التوجيه الأولي ل لس "مؤمنا" بمعالجات سطحية محددة، مثل فرك أو معالجة بطبقة محاذاة محددة، فإنه بالكاد يتغير مع درجة الحرارة. هنا، نقدم نظاما يظهر انتقالا انتقاليا على اختلاف درجة الحرارة، والذي يتعارض مع توافق الآراء. الحق في الانتقال، والجزيئات لك كبيرة تجربة دوران التوجه، مع 90 درجة بين التوجه مستو (P) في درجات حرارة عالية والتوجه الرأسي (V) في درجات حرارة منخفضة في الطريقة الانتقالية من الدرجة الأولى. لقد تعقب سلوك ترسيح الديناميكا الحرارية عن طريق الاستقطاب المجهري الضوئي (P(دس)، وقياس المسافات التفاضلية ذات الدقة العالية (هر-دسك)، وحدوث الرعي حيود الأشعة السينية (جي-زرد)، وتوصل إلى تفسير مادي معقول: أن الانتقال ينجم عن نمو السطح أوراق التبلل، والتي تفرض التوجه الخامس محليا ضد التوجه P في الجزء الأكبر. ومن شأن هذا المشهد أن يوفر وصلة عامة تشرح كيف يتأثر اتجاه الجزء الأكبر من التوازن بالتوجه السطحي المترسب في كثير من أنظمة لك. في توصيفنا، بوم و دس هي مفيدة من خلال تقديم معلومات عن التوزيع المكاني لتوجه جزيئات لك. يوفر هر-دسك معلومات حول المعلومات الحرارية الديناميكية على التحولات، والتي لا يمكن معالجتها من قبل الصكوك دسك التقليدية بسبب قرار محدود. يوفر جي-زرد معلومات عن التوجه الجزيئي سطح محددة وترتيب قصير المدى. والهدف من هذه الورقة هو تقديم بروتوكول لإعداد العينة التي تظهر ترانزيوإظهار كيف يمكن تحليل التغيرات الهيكلية الحرارية، سواء في الجزء الأكبر أو على الأسطح، من خلال الطرق المذكورة أعلاه.

المقدمة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

في السنوات الأخيرة، كان هناك اهتمام متزايد في تعلم كيف يمكن للخصائص الجزيئية الحيوية وهياكل الجزيئات السطحية استجابة للمؤثرات الخارجية تؤثر على التوجه السائب للمواد في حالات لك. ومن الأمثلة على ذلك استخدام أجهزة الاستشعار البيولوجية لك كتطبيق جديد ل لس 1 ، 2 . لتحديد كم عدد الأنواع البيولوجية المستهدفة التي تم اكتشافها، من المهم أن تعرف كيف تتغير أحرف الربط بين السطوح التي تلتصق بالجزيئات المستهدفة وتتطور، في حين تكتشف أيضا وكيف تنقل / تترجم خصائصها إلى الجزء الأكبر.

باستخدام نماذج لمتابعة هذه الإجابات، بدأنا مع النظم التي لها التوجه الجزيئي السطحية وترتيب قصيرة المدى متفاوتة الديناميكا الحرارية. وتسمح لنا هذه الأنظمة بربط التغيرات في التوجه السطحي والترتيب مع التوجه السائب الناتج بطريقة منهجية. في الآونة الأخيرة، وجدنا العديد من أنظمة لك التي تظهر سالتحولات التكيفية، حيث يتغير التوجه الجزيئي العفوي السائب مع درجة الحرارة. ويمكن، من حيث المبدأ، تصنيف التحولات التوجيهية إلى مرحلة انتقالية من الدرجة الثانية أو الثالثة أو الرابعة أو شبه الأولى من الدرجة 5 و 6 و 7 و 8 . ويرافق الأول من قبل إعادة توجيه الجزيئي الأكبر المستمر على التغيرات في درجة الحرارة، في حين أن الأخير يدل على واحد متقطع. في هذه المقالة، نحن تصف الانتقال في الاتجاه في المرحلة الأولى من الدرجة الأولى بين الدولتين P و V التوجه. ويبدأ في المرحلة نيماتيك واحد (N) عن طريق تغيير درجة الحرارة. وستقدم التفاصيل في نتائج الممثل والمناقشة.

منذ التغيير التوجه في الجزء الأكبر يجب أن يحكمها تغيير في التوجه الجزيئي السطح وقصيرة، من الواضح أن هذا النظام يمكن أن تقدم نظرة ثاقبة على كيفية تغير الديناميكا الحرارية في التوجه الجزيئي السطحية والترتيب قصير المدى يؤثر على التوجه السائب. في هذه المقالة، بهدف فهم القضايا المذكورة أعلاه، تناولنا ثلاث مشاكل باستخدام أربع طرق تكميلية ( أي بوم، دس، هر-دسك، و جي-زرد): (1) ماذا يبدو التحول الانتقالي؟ (2) هل التحول الحضري قابل للكشف حراريا؟ (3) لماذا وكيف يحدث التحول الانتقالي؟

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. إعداد طبقة محاذاة الكريستال السائل من بيرفلوروبوليمر على ركائز الزجاج

  1. إعداد محلول بروبيلوروبوليمر
    1. إعداد 1 مل من محلول البوليمر البيرفلورمي عن طريق حل محلول البوليمر البيرفلوري (9٪ بالوزن بوليمر) في مذيب تجاري بنسبة 1: 2؛ وهذا يضمن أفلام موحدة 0.5-1 ميكرون سميكة لتكون المغلفة تدور.
      ملاحظة: يرجى الاطلاع على قائمة المواد للحل والمذيبات المستخدمة.
  2. طلاء من البوليمر البيرفلور على ركائز الزجاج النظيف
    1. غسل ركائز الزجاج (نموذجي الحجم: 1 سم × 1 سم) عن طريق صوتنة في 38 أو 42 كيلو هرتز في المنظفات القلوية. شطف لهم مرارا بالماء المقطر. عادة، شطف أكثر من 10 مرات، مع 5 دقائق من صوتنة في كل مرة.
    2. موضوع ركائز لأشعة فوق البنفسجية O 3 نظافة لمدة 10 دقيقة.
    3. بالتنقيط 20 ميكرولتر من الحل من الخطوة 1.1 على سوبسترا الزجاج تنظيفهاقسم التدريب والامتحانات. على الفور تدور معطف الحل في 3500 دورة في الدقيقة ودرجة حرارة الغرفة لمدة 70 ثانية. خبز الفيلم في 80 درجة مئوية لمدة 60 دقيقة لإزالة المذيب وعند 200 درجة مئوية لمدة 60 دقيقة لعلاج.

2. إعداد خلايا لك

  1. الغراء اثنين من ركائز الزجاج المغلفة مع الفيلم معا باستخدام الراتنج صورة قابلة للشفاء ومصباح ليد مع الطول الموجي من 365 نانومتر (1.1 W / سم 2 ). ضبط سمك الفجوة بين ركائز اثنين إلى ضمن مجموعة من 2-100 ميكرون باستخدام جزيئات الزجاج حجم ميكرومتر أو أفلام النفثاليت البولي ايثيلين.
  2. إدخال مادة لك، 4'-بيوتيل-4-هيبتيل-بيسكلوهكسيل-4-كاربونيتريل (CCN47؛ 0.2-10 ميكرولتر) 9 إلى الخلايا لك أعدت باستخدام ملعقة تحت قوة الشعرية عند درجة حرارة أعلى من السائل متناح (I) -Nematic (N) درجة حرارة المرحلة الانتقالية.
    ملاحظة: CCN47 لديه تباين عازل سلبي، وتسلسل المرحلة هو البكاء 298.6 K سما 301.3 كن 331.3 كي، حيث البكاء و سما تقف على الكريستال و سمكا مراحل. لا تدخل CCN47 في المرحلة N أو مرحلة سما، لأن المواءمة التي يسببها التدفق ستعزز.

3. عينة توصيف

  1. الملمس الملاحظة التي الاستقطاب المجهر الضوئي (بوم) 10
    1. مراقبة الخلايا لك تحت بوم مع العدسات الهدف 4-100X بالتزامن مع مرحلة ساخنة للسيطرة على درجة حرارة العينة مع ± 0.1-K الدقة. تسجيل القوام في أكثر من 5 إطارات، على فترات حتى في كلفن. استخدام كاميرا رقمية اللون بالتتابع، سواء على التبريد والتدفئة في حدود 291-343 K.
  2. طيفي عازلة (دس) 11
    1. إعداد الخلايا لك، مع أقطاب إيتو - التي يمكن أن يكون لها شكل مربع أو دائري ويمكن شراؤها تجاريا - على كلا ركائز. اللحام سلك الرصاص إلى كل الركيزة.
      ملاحظة: يرجى الاطلاع على قائمة المواد للركائز المستخدمة.
    2. قياس السعة أو ثابت العزل من الخلايا لك، تماما كما تستخدم ل بوم، وذلك باستخدام المحاكاة التجارية / المكاسب المرحلة محلل. تأكد من أن حالة العينات يتم معايرة قبل كل قياس. قياس الاعتماد على الوقت من السعة أو ثابت العزل من الخلايا لك عن طريق قياس السعة من الخلايا لك يدويا كل 5 دقائق.
    3. بدء قياس دس فقط إذا كان السعة أو ثابت العزل من الخلايا لك يصبح غير تعتمد على الوقت.
  3. عالية الدقة المسح التفاضلي كالوريمتري (هر-دسك) 12
    1. وضع الخلايا لك في محلية الصنع هر-دسك ليتم فحصها، تماما كما هو الحال في بوم ( أبدا استخدام المقالي دسك). يرجى الرجوع إلى المرجع 12 لتصميم وبناء دسك للموارد البشرية وتعلم كيفية استخدامه. إجراء قياسات مع معدلات المسح الضوئي من 0.05-0.10 K / دقيقة لتعزيز الحد الأدنى من درجة الحرارة حل بوإيه.
  4. حادث الرعي حيود الأشعة السينية (جي-زرد) 13
    1. ضع إما خلية لك (المستخدمة ل بوم أو دسك) أو عينة مع قطرة 2 إلى 5 ميكرولتر من CCN47 على الركيزة المغلفة على مرحلة عينة جي-زرد، والتي ينبغي أن تكون مجهزة مع جهاز تحكم في درجة الحرارة.
    2. موازنة العينة لأكثر من 10 دقيقة في درجات الحرارة المطلوبة في نطاق 291-343 K، سواء على التبريد والتدفئة.
    3. استخدام شعاع الأشعة السينية الحادث على العينة، مع زاوية حادث دقيقة حول 0.05-0.10 درجة، لاستخراج المعلومات السطحية على التوجه الجزيئي وترتيب / الهياكل. تأرجح زاوية الحادث من شعاع الأشعة السينية للعثور على زاوية الحادث الأمثل الذي قوة الانعراج هو الأقوى. أخذ القياسات في زاوية الحادث الأمثل.
      ملاحظة: نضع في اعتبارنا أن جي-زرد يجعل من الممكن التحقيق الخصائص بينية على نطاق نانومتر، وبالتالي تعظيم إشارة من رقيقة لآيرس مع تقليل إشارة من الجزء الأكبر. لاحظ أن هندسية زرد العادية، بخلاف جي-زرد، ليست طرق حساسة للسطح، حيث أن شعاع الإشعاع بالأشعة السينية له عمق اختراق كبير في المواد.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تم جمع بيانات بوم، بيانات دس، بيانات دسك-هر، وأنماط جي-زرد أثناء تغير درجة الحرارة، وخاصة في المناطق المجاورة للتحول في الاتجاهين عند التبريد والتدفئة.

الشكل 1 يمثل تطور الملمس الذي أدلى به قياسات بوم و دس خلال مراقبة بوم الانتقال من الانتقال من P (V) إلى الحالة V (P) التوجه أثناء التبريد (التدفئة). ويظهر عملية إعادة ا...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تظهر الصور بوم 10X التي اتخذت باستخدام خلية ل 5 ميكرون لك ( الشكلان 1 أ و ب ) بوضوح أن الحالة التوجه للجزيئات لك الأكبر يمر بين P و V الاتجاهات على درجة الحرارة الاختلاف بطريقة الترتيب الأول. وتتميز هذه العملية بعمليات تنويته ونموه، مع اتجاه جديد يختلف عن التوجه الأولي بمقدار 90 درجة. درجات الحرارة الانتقالية عند التبريد والتدفئة هي 321.5 K و 325.3 K، على التوالي. منذ CCN47 ديه الانكسار من ~ 0.02 9 ، وضوح الملمس سكليرن جيدة...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

الكتاب ليس لديهم ما يكشف.

شكر وتقدير

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

وأيد هذا العمل من قبل جسبس كاكينهي منحة رقم 16H06037. ونحن نشكر بصدق الدكتور يوجي ساساكي في جامعة هوكايدو للمساعدة التقنية للموارد البشرية-دسك.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
شركة CYTOPAsahi للزجاج المحدودةCTX-809A
مذيب لشركة CYTOPAsahi Glass Co.، Ltd.CT-180 سول.
المنظفات القلويةMerck KGaAExtran MA01
NOA61Norland Products، Inc.# 37-322قابلة للشراء من Edmund Optics
AL1254JSR Corporationمواد محاذاة مستوية في خلايا عصامية
4'-بوتيل -4-هيبتيل-بيسيكلوهإكسيل -4-كربونيتريلNematel GmbH & Co. KG
منظف UV-O3< / sub> منظفTechnovision Inc.UV-208
نظام المرحلة الساخنةMettler ToledoHS82
كاميرا ملونة عالية الوضوحنيكونDS-Fi1
محلل مقاومة / طور الكسبSolartron التحليلي1260
أكسيد القصدير الإنديوم (ITO) الركيزة المطليةب GEOMATEC Co. Ltd.الطلب
رأس حسب

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Woltman, S. J., Jay, G. D., Crawford, G. P. Liquid-Crystal Materials Find a New Order in Biomedical Applications. Nat. Mater. 6 (12), 929-938 (2007).
  2. Carlton, R. J., et al. Chemical and Biological Sensing Using Liquid Crystals. Liq. Cryst.Rev. 1 (1), 29-51 (2013).
  3. Patel, J. S., Yokoyama, H. Continuous Anchoring Transition in Liquid Crystals. Nature. 362, 525-527 (1993).
  4. Senyuk, B., et al. Surface alignment, anchoring transitions, optical properties, and topological defects in the nematic phase of thermotropic bent-core liquid crystal A131. Phys Rev E. 82 (4 Pt 1), 041711(2010).
  5. Bechhoefer, J., et al. Critical Behavior in Anchoring Transitions of Nematic Liquid Crystals. Phys. Rev. Lett. 64 (16), 1911-1914 (1990).
  6. Dhara, S., et al. Anchoring Transitions of Transversely Polar Liquid-Crystal Molecules on Perfluoropolymer Surfaces. Phys. Rev. E. 79 (6 Pt 1), 60701(2009).
  7. Aya, S., et al. Stepwise heat-capacity change at an orientation transition in liquid crystals. Phys. Rev. E. 86 (2), 022512(2014).
  8. Aya, S., et al. Thermodynamically Anchoring-Frustrated Surface to Trigger Bulk Discontinuous Orientational Transition. Langmuir. 32 (41), 10545-10550 (2016).
  9. Dhara, S., Madhusudana, N. V. Physical characterisation of 4'-butyl-4-heptyl-bicyclohexyl-4-carbonitrile. Phase Trans. 81 (6), 561-569 (2008).
  10. Dierking, I. Textures of Liquid Crystals. , Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Weinheim, FRG. (2003).
  11. Perkowski, P., et al. Technical aspects of dielectric spectroscopy measurements of liquid crystals. Opto-Electronics Review. 16 (3), 271-276 (2008).
  12. Inaba, H. Nano-watt stabilized DSC and ITS applications. J Therm Anal Calorim. 79 (3), 605-613 (2005).
  13. Leveiller, F., Boehm, C., Jacquemain, D. Two-dimensional crystal structure of cadmium arachidate studied by synchrotron X-ray diffraction and reflectivity. Langmuir. 10 (3), 819-829 (1994).
  14. de Gennes, P. G., Prost, J. The Physics of Liquid Crystals (Second Edition). , Oxford University Press. (1993).
  15. Aya, S., et al. Critical Behavior in an Electric-Field-Induced Anchoring Transition in a Liquid Crystal. Phys. Rev. E. 86 (1 Pt 1), 10701(2012).
  16. Avrami, M. Kinetics of Phase Change. I General Theory. J. Chem. Phys. 7, 1103-1112 (1939).
  17. Avrami, M. Kinetics of Phase Change. II Transformation-Time Relations for Random Distribution of Nuclei. J. Chem. Phys. 8 (2), 212-224 (1939).
  18. Avrami, M. Granulation Phase Change, and Microstructure Kinetics of Phase Change. III. J. Chem. Phys. 9, 177-184 (1941).
  19. Sasaki, Y., et al. Distinctive Thermal Behavior and Nanoscale Phase Separation in the Heterogeneous Liquid- Crystal B4 Matrix of Bent-Core Molecules. Phys. Rev. Lett. 107 (23), 237802(2011).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

A

مقالات ذات صلة