Methodenartikel

Orientationaler Übergang in einem Flüssigkristall, der durch das thermodynamische Wachstum von Grenzflächenbetonplatten ausgelöst wird

DOI:

10.3791/55729

⸱

15. Mai 2017

 , 
1RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS)

In diesem Artikel

Zusammenfassung

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Hier stellen wir ein Protokoll vor, um einen Orientierungsübergang eines Flüssigkristalls in Abhängigkeit von der Temperatur auszulösen. Es werden Methoden für die Vorbereitung einer Probe beschrieben, um den Übergang und die detaillierte Übergangsentwicklung zu beobachten.

Zusammenfassung

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In der Flüssigkristall- (LC) -Physikalischen Chemie spielen Moleküle in der Nähe der Oberfläche eine große Rolle bei der Kontrolle der Bulk-Orientierung. So weit, vor allem um die gewünschten molekularen Orientierungszustände in LC-Displays zu erreichen, wurde die "statische" Oberflächeneigenschaft von LCs, so genannte Oberflächenverankerung, intensiv untersucht. Als Faustregel gilt, sobald die anfängliche Orientierung der LCs durch spezifische Oberflächenbehandlungen, wie Reiben oder Behandlung mit einer bestimmten Ausrichtungsschicht, "verriegelt" ist, ändert sie sich kaum mit der Temperatur. Hier präsentieren wir ein System, das einen Orientierungsübergang bei Temperaturschwankungen aufweist, der mit dem Konsens in Konflikt steht. Direkt am Übergang erleben die Bulk-LC-Moleküle die Orientierungsdrehung mit 90 ° zwischen der planaren (P) Orientierung bei hohen Temperaturen und der vertikalen (V) Orientierung bei niedrigen Temperaturen in der Übergangsweise erster Ordnung. Wir haben das thermodynamische Oberflächenverankerungsverhalten mittels polarisierender optischer Mikroskopie verfolgt (S.OM), dielektrische Spektroskopie (DS), hochauflösende Differential-Scanning-Kalorimetrie (HR-DSC) und Weide-Röntgenbeugung (GI-XRD) und erreichten eine plausible physikalische Erklärung: dass der Übergang durch ein Flächenwachstum ausgelöst wird Benetzungsblätter, die die V-Orientierung lokal gegen die P-Orientierung in der Masse auferlegen. Diese Landschaft würde eine allgemeine Verknüpfung geben, die erklärt, wie die Gleichgewichts-Bulk-Orientierung von der oberflächenorientierten Orientierung in vielen LC-Systemen beeinflusst wird. In unserer Charakterisierung sind POM und DS vorteilhaft, indem sie Informationen über die räumliche Verteilung der Orientierung von LC-Molekülen liefern. HR-DSC gibt Auskunft über die präzisen thermodynamischen Informationen über Übergänge, die durch konventionelle DSC-Geräte aufgrund begrenzter Auflösung nicht angesprochen werden können. GI-XRD informiert über die oberflächenspezifische molekulare Orientierung und Kurzstreckenordnungen. Das Ziel dieser Arbeit ist es, ein Protokoll für die Vorbereitung einer Probe, die die Transi zeigt, zu präsentierenUm zu zeigen, wie die thermodynamische Strukturvariation sowohl in der Masse als auch auf den Oberflächen durch die oben genannten Methoden analysiert werden kann.

Einleitung

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In den letzten Jahren gab es zunehmendes Interesse daran, wie dynamische molekulare Merkmale und Strukturen von Oberflächenmolekülen in Reaktion auf externe Reize die Massenorientierung von Materialien in LC-Zuständen beeinflussen könnten. Ein Beispiel ist, LC-Biosensoren als neue Anwendung von LCs 1 , 2 zu verwenden. Um zu quantifizieren, wie viele Ziel-Bio-Spezies erkannt werden, ist es wichtig zu wissen, wie sich die Grenzflächen-LCs, die mit adhärierenden Zielmolekülen in Kontakt kommen, verändern und sich entwickeln, während sie auch erkennen und wie sie ihre Eigenschaften in die Masse übertragen / übersetzen.

Mit Modellen, um diese Antworten zu verfolgen, begannen wir mit Systemen, die ihre Oberflächen molekularen Orientierung und Kurzstreckenordnungen thermodynamisch variieren. Diese Systeme erlauben es uns, die Änderungen der Oberflächenorientierung und der Ordnungen mit der daraus resultierenden Massenorientierung systematisch zu korrelieren. In letzter Zeit fanden wir mehrere LC-Systeme, die oRientationalen Übergängen, bei denen sich eine spontane molekulare Molekülorientierung mit der Temperatur ändert. Grundsätzlich können Orientierungsübergänge entweder in quasi-zweiter Ordnung 3 , 4 oder quasi-erster Ordnung 5 , 6 , 7 , 8 kategorisiert werden. Erstere begleitet von einer kontinuierlichen molekularen Umorientierung bei Temperaturänderungen, während die letztere eine diskontinuierliche zeigt. In diesem Artikel beschreiben wir einen Orientierungsübergang in quasi-erster Ordnung zwischen den P- und den V-Orientierungszuständen. Es verläuft in der einzigen nematischen (N) Phase durch Änderung der Temperatur. Details werden in den repräsentativen Ergebnissen und der Diskussion zur Verfügung gestellt.

Da die Orientierungsänderung in der Masse durch eine Veränderung der Oberflächenmolekularorientierung und Kurzschluss bestimmt werden sollte-Anordnungen ist es offensichtlich, dass dieses System potenziell Einblicke darüber geben kann, wie sich die thermodynamische Variation der Oberflächenmolekularorientierung und der Kurzstreckenordnung auf die Massenorientierung auswirkt. In diesem Artikel haben wir mit dem Ziel, die oben erwähnten Fragen zu verstehen, drei Probleme mit vier komplementären Methoden ( dh POM, DS, HR-DSC und GI-XRD) in Angriff genommen: (1) Wie sieht der Orientierungsübergang aus? (2) Ist der Orientierungsübergang thermisch erkennbar? (3) Warum und wie kommt der Orientierungsübergang zustande?

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Protokoll

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1. Herstellung der Flüssigkristall-Ausrichtungsschicht eines Perfluorpolymers auf Glassubstraten

  1. Herstellung der Perfluorpolymerlösung
    1. 1 ml der Perfluorpolymerlösung durch Auflösen einer Perfluorpolymerlösung (9 Gew .-% Polymer) in einem handelsüblichen Lösungsmittel im Verhältnis 1: 2 zubereiten; Damit werden gleichmäßige, mit einer Dicke von 0,5-1 μm dicke Folien beschichtet.
      HINWEIS: Bitte beachten Sie die Materialliste für die verwendete Lösung und das Lösungsmittel.
  2. Beschichtung des Perfluorpolymers auf saubere Glassubstrate
    1. Waschen Sie die Glassubstrate (typische Größe: 1 cm x 1 cm) durch Beschallung bei 38 oder 42 kHz in einem alkalischen Reinigungsmittel. Wiederholt mit destilliertem Wasser spülen. Typischerweise spülen Sie mehr als 10 mal, mit 5 min Beschallung jedes Mal.
    2. Die Substrate dem UV-O 3 -Reiniger für 10 min unterziehen.
    3. 20 μl der Lösung aus Schritt 1.1 auf das gereinigte Glas substraTes Die Lösung bei 3.500 U / min und Raumtemperatur für 70 s sofort abspülen. Den Film bei 80 ° C für 60 min backen, um das Lösungsmittel zu entfernen und bei 200 ° C für 60 min zum Aushärten.

2. Vorbereitung von LC-Zellen

  1. Kleben Sie zwei mit einem Film beschichtete Glassubstrate zusammen mit einem photohärtbaren Harz und einer LED-Lampe mit einer Wellenlänge von 365 nm (1,1 W / cm 2 ). Stellen Sie die Dicke des Spalts zwischen den beiden Substraten im Bereich von 2-100 μm unter Verwendung von Glaspartikeln oder Polyethylennaphthalatfilmen ein.
  2. Ein LC-Material, 4'-Butyl-4-heptyl-bicyclohexyl-4-carbonitril (CCN47; 0,2-10 μl) 9 zu den vorbereiteten LC-Zellen unter Verwendung eines Spatels unter Kapillarkraft bei einer Temperatur höher als die isotrope Flüssigkeit (I) -nematische (N) Phasenübergangstemperatur.
    HINWEIS: CCN47 hat eine negative dielektrische Anisotropie und die Phasenfolge ist Cry 298.6 K SmA 301.3 KN 331.3 KI, wo Cry und SmA für Kristall- und smektische A-Phasen stehen. Führen Sie CCN47 nicht in die N-Phase oder die SmA-Phase ein, da eine durchflussinduzierte Ausrichtung gefördert werden würde.

3. Mustercharakterisierung

  1. Texturbeobachtung durch polarisierende optische Mikroskopie (POM) 10
    1. Beachten Sie die LC-Zellen unter POM mit 4-100X Objektivlinsen in Verbindung mit einer Heißstufe, um die Probentemperatur mit ± 0,1-K Genauigkeit zu steuern. Notieren Sie die Texturen in mehr als 5 Frames, in gleichmäßigen Intervallen pro Kelvin. Verwenden Sie eine digitale Farbkamera nacheinander, sowohl beim Kühlen als auch beim Heizen im Bereich von 291-343 K.
  2. Dielektrische Spektroskopie (DS) 11
    1. Bereiten Sie LC-Zellen mit ITO-Elektroden vor, die eine quadratische oder kreisförmige Form haben und kommerziell erworben werden können - auf beiden Substraten. Löten Sie einen Leitungsdraht zu jedem Substrat.
      HINWEIS: Bitte beachten Sie die Materialliste für die verwendeten Substrate.
    2. Messen Sie die Kapazitäts- oder Dielektrizitätskonstante der LC-Zellen genau wie für POM verwendet, indem Sie einen handelsüblichen Impedanz- / Verstärkungsphasen-Analysator verwenden. Stellen Sie sicher, dass der Zustand der Proben vor jeder Messung äquilibriert wird. Messen Sie die zeitabhängige Abhängigkeit der Kapazitanz oder der Dielektrizitätskonstante der LC-Zellen, indem Sie die Kapazität der LC-Zellen manuell alle 5 min messen.
    3. Starten Sie die DS-Messung nur, wenn die Kapazitäts- oder Dielektrizitätskonstante der LC-Zellen nicht zeitabhängig ist.
  3. Hochauflösende Differential-Scanning-Kalorimetrie (HR-DSC) 12
    1. Setzen Sie die LC-Zellen in eine hausgemachte HR-DSC, um genau zu untersuchen, genau wie in POM ( verwenden Sie nie DSC-Pfannen). Siehe Referenz 12, um eine HR-DSC zu entwerfen und zu bauen und zu lernen, wie man sie benutzt. Führen Sie Messungen mit Abtastraten von 0,05-0,10 K / min durch, um die minimale Temperaturauflösungskraft zu erhöhenEr.
  4. Weidende Röntgenbeugung (GI-XRD) 13
    1. Setzen Sie entweder die LC-Zelle (für POM oder DSC) oder eine Probe mit einem 2 bis 5 μl Tröpfchen von CCN47 auf ein beschichtetes Substrat auf der GI-XRD-Probenstufe, die mit einem Temperaturregler ausgestattet sein sollte.
    2. Die Probe für mehr als 10 min bei gewünschten Temperaturen im Bereich von 291-343 K, sowohl beim Abkühlen als auch beim Erwärmen, ausgleichen.
    3. Verwenden Sie einen einfallenden Röntgenstrahl auf der Probe, mit einem Minuteneinfallwinkel um 0,05-0,10 °, um Oberflächeninformationen über molekulare Orientierung und Ordnungen / Strukturen zu extrahieren. Schwenken Sie den Einfallswinkel des Röntgenstrahls, um den optimalen Einfallswinkel zu finden, bei dem die Stärke der Beugung am stärksten ist. Nehmen Sie die Messungen am optimalen Einfallswinkel vor.
      HINWEIS: Denken Sie daran, dass GI-XRD es ermöglicht, Grenzflächen-Besonderheiten auf der Nanometer-Skala zu untersuchen und damit das Signal von dünnen L zu maximierenAyers bei gleichzeitiger Minimierung des Signals von der Masse. Beachten Sie, dass normale XRD-Geometrien, außer GI-XRD, keine oberflächenempfindlichen Methoden sind, da das Röntgenstrahlenbündel eine große Eindringtiefe in Materialien aufweist.

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Ergebnisse

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POM-Bilder, DS-Daten, HR-DSC-Daten und GI-XRD-Muster wurden während der Temperaturschwankung gesammelt, insbesondere in der Nähe des Orientierungsübergangs beim Kühlen und Erwärmen.

Fig. 1 stellt die Entwicklung der durch POM- und DS-Messungen durchgeführten Textur während der POM-Beobachtung des Orientierungsübergangs vom P (V) zum V (P) -Organisationszustand während des Kühlens (Heizens) dar. De...

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Diskussion

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Die 10x POM-Bilder, die unter Verwendung einer 5-μm-LC-Zelle aufgenommen wurden ( Fig. 1a und b ) zeigen deutlich, daß der Orientierungszustand der Bulk-LC-Moleküle zwischen der P- und der V-Orientierung bei einer Temperaturänderung in einer Weise erster Ordnung transitiert. Dies ist durch die Domänen-Keimbildung und Wachstumsprozesse gekennzeichnet, wobei eine neue Orientierung von der ursprünglichen Orientierung um 90 ° abweicht. Die Übergangstemperaturen bei Kühlung und Erwärmung bet...

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Offenlegungen

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Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

Danksagungen

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Diese Arbeit wurde von JSPS KAKENHI Grant Nummer 16H06037 unterstützt. Wir danken Dr. Yuji Sasaki in der Hokkaido Universität für technische Unterstützung für HR-DSC.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Verifizierter Lieferant - CYTOP Asahi Glass Co. Ltd.CTX-809A
Lösungsmittel für CYTOPAsahi Glass Co., Ltd.CT-180 Sol.
Alkalisches ReinigungsmittelMerck KGaAExtran MA01
NOA61Norland Products, Inc.#37-322Erhältlich bei Edmund Optics
AL1254JSR CorporationPlanares Ausrichtungsmaterial in selbst hergestellten Zellen
4'-Butyl-4-heptyl-bicyclohexyl-4-carbonitrilNematel GmbH & Co. KGMaßgeschneiderter
UV-O3 ReinigerTechnovision Inc.UV-208
HeißtischsystemMettler ToledoHS82
High-Definition FarbkamerakopfNikonDS-Fi1
Impedanz-/VerstärkungsphasenanalysatorSolartron Analytical1260
Indiumzinnoxid (ITO)-beschichtetes SubstratGEOMATEC Co. Ltd.maßgearbeitet

Referenzen

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Schlagwörter

PolarisationsmikroskopieDielektrische SpektroskopieHochaufl sende DifferentialscanningkalorimetrieR ntgenbeugung unter flachem EinfallswinkelThermodynamische Oberfl chenverankerungQuasi smektische A BenetzungsfilmePerfluorpolymerl sungSpin Coating

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