Neuartige Techniken zur Beobachtung von Strukturdynamik von Photoresponsive Flüssigkristallen

Diese Methode kann helfen, ein häufiges Problem in der Flüssigkristallforschung zu lösen. Das heißt, dass die maximale molekulare Bewegung während der Photoantwort mit herkömmlichen Methoden nicht bestimmt werden kann. Der Hauptvorteil dieser Techniken besteht darin, dass die Struktur und die ultraschnelle Dynamik des photoangeregten Flüssigkristalls sowohl aus dem differentiellen IR-Spektrum als auch aus differentiellen Elektronenbeugungsmustern gewonnen werden.

Ich werde die zeitaufgelöste IR-Schwingungsspektroskopie demonstrieren. Zur Vorbereitung einer Lösungsphasenprobe für die zeitaufgelöste IR-Schwingungsspektroskopie lösen Sie 0,025 Millimol pi-COT in 25 Millilitern Dichlormethan, um eine Lösung von 1 Millimol pro Liter zu erhalten. Zur Herstellung einer Flüssigkristallphasenprobe wird ein 3 Millimeter dickes Calciumfluoridsubstrat mit pi-COT-Pulver bedeckt.

Legen Sie das Substrat auf eine heiße Platte und schmelzen Sie das Pulver bei 100 Grad Celsius. Schalten Sie die Heizplatte aus und lassen Sie die Probe auf Raumtemperatur abkühlen. Schalten Sie nach der Vorbereitung der Probe den Titan-Saphir-Laser und den gechirpten Pulsverstärker ein und lassen Sie sie thermisch stabilisieren.

Stellen Sie die Pulsdauer auf 120 Femtosekunden, die Wiederholrate auf 500 Hertz und die einfallende Fluenz auf 1 Millijoule pro Quadratzentimeter ein. Überprüfen Sie die Leistung und Stabilität der UV-Pumpe und der Impulse der Sonde im mittleren IR-Bereich und richten Sie die Strahlengänge nach Bedarf neu aus. Kühlen Sie den Quecksilber-Cadmium-Tellur-IR-Detektor mit flüssigem Stickstoff.

Positionieren Sie das Spektrometer in einer Linie mit dem Strahlengang und kalibrieren Sie das Spektrometer. Montieren Sie dann einen 1 Millimeter dicken Silikonwafer als Testmuster auf den Probenhalter. Stellen Sie die Verzögerung der Pumpsonde auf einen positiven Wert ein.

Optimieren Sie die Überlappung von Pumpe-Sonde, indem Sie den Spiegel so einstellen, dass der Pumpstrahl auf die Probe gerichtet ist, um die maximale transiente Signalintensität zu erhalten. Richten Sie einen Scan ein, der bei minus 100 Pikosekunden beginnt und bei 1000 Pikosends endet, mit einer Schrittzeit von 5 Pikosekunden. Scannen Sie das Prüfmuster und identifizieren Sie die zeitliche Position, an der das transiente Signal auszutreten beginnt, oder die Zeit Null.

Wenn Sie dann eine Probe in der Lösungsphase verwenden, montieren Sie eine Durchflusszelle mit Bariumfluoridfenstern im Gerät und beginnen Sie, die Probe durch die Durchflusszelle zu pumpen. Wenn Sie eine Flüssigkristallphasenprobe verwenden, montieren Sie die Probe auf einem motorisierten Tisch, um eine kontinuierliche Bewegung der Laserpunktposition auf der Probe zu ermöglichen und so laserinduzierte Schäden zu minimieren. Bestätigen Sie die zeitliche Position des Zeitnullpunkts mit der Probe und legen Sie die Start-, End- und Schrittzeit fest.

Wählen Sie ein Verzeichnis für die Datendatei aus, und führen Sie den Datenerfassungsprozess aus. Ätzen und reinigen Sie zunächst einen mit Silikonnitrid beschichteten Wafer, um ein Substrat mit Silikonnitridfenstern zu erhalten. Legen Sie das Substrat mit den Silikonnitridfenstern nach oben auf ein Schleuder-Coaterfutter.

Das Substrat wird mit einer Lösung von 10 Milligramm pro Milliliter pi-COT in Chloroform geschleudert. Legen Sie das schleuderbeschichtete Substrat auf eine Heizplatte und erhitzen Sie die Heizplatte auf 100 Grad Celsius, um den pi-COT zu schmelzen. Schalten Sie die Heizplatte aus, wenn sie 100 Grad Celsius erreicht, und lassen Sie die Probe an Ort und Stelle abkühlen, um einen pi-COT-Flüssigkristallfilm zu erhalten.

Um die Messung zu starten, montieren Sie die Probe auf den Probenhalter des Geräts. Setzen Sie den Probenhalter in die Vakuumkammer ein und schließen Sie die Kammer. Verwenden Sie eine Rotationspumpe, um die Kammer auf weniger als 1000 Pascal oder 10 Millibar zu evakuieren.

Verwenden Sie dann eine Turbomolekularpumpe, um die Elektronenkanonenkammer auf etwa 10 bis minus 6 Pascal zu evakuieren. Schalten Sie als Nächstes den Titan-Saphir-Laser und den gechirpten Pulsverstärker ein und lassen Sie sie eine Stunde lang thermisch stabilisieren. Stellen Sie die Wiederholrate auf 500 Hertz ein.

Schalten Sie den CCD-Kamerakühler ein und kühlen Sie das Gerät auf 10 Grad Celsius. Schalten Sie dann die Stromversorgung ein und stellen Sie die Spannung auf 75 Kilovolt ein. Öffnen Sie die spezielle Überlappungssoftware und stellen Sie die Belichtungszeit auf 50 Millisekunden ein.

Um die Position des Sonden-Elektronenstrahls zu ermitteln, legen Sie zunächst den Starttyp auf z-overlap fest, und klicken Sie auf Start. Wenn dieser Vorgang abgeschlossen ist, wählen Sie "Y-Überlappung" aus, und klicken Sie erneut auf "Start". Stellen Sie dann den Elektronenstrahl auf die Position der Lochblende des Probenhalters ein und richten Sie den Pumplaser an der Lochblende auf das reflektierte Pumplicht aus.

Wechseln Sie anschließend zum zeitaufgelösten Elektronenbeugungsprogramm. Stellen Sie den Starttyp auf zeitaufgelöst und den Pumpeneinfluss auf 2 Millijoule pro Quadratzentimeter ein. Klicken Sie auf Start, um die Zeitnullposition basierend auf einem anorganischen Standardmaterial zu messen, das auf dem Probenhalter befestigt ist.

Setzen Sie dann den Faradayschen Becher in den Elektronengang ein und messen Sie die Fluenz mit dem Picoamperemeter. Drehen Sie den Neutraldichtefilter, um die Elektronenstrahlfluenz auf 3 Pikoampere einzustellen. Stellen Sie die Pumpimpulsfluenz auf 1,67 Milliwatt ein, indem Sie die Wellenplatte an der Pumpstrahllinie drehen.

Bewegen Sie sich dann in der zeitaufgelösten Elektronenbeugungssoftware zur Probenposition. Stellen Sie die Belichtungszeit der CCD-Kamera auf 1 Sekunde ein. Legen Sie den Starttyp auf single fest, und klicken Sie auf Start, um ein statisches Elektronenbeugungsbild zu erhalten.

Schalten Sie dann das Peltier-Element der CCD-Kamera ein und kühlen Sie das Gerät auf minus 20 Grad Celsius. Sobald die CCD-Kamera abgekühlt ist, stellen Sie die Anzahl der Muster ein, die bei jedem Schritt erfasst werden sollen, und die Anzahl der Schritte für die zeitaufgelösten Messungen. Legen Sie den Starttyp auf zeitaufgelöst fest, und klicken Sie auf Start, um die zeitaufgelösten Elektronenbeugungsbilder zu erfassen.

Wenn das Experiment beendet ist, schalten Sie die Stromversorgung für die Elektronenbeschleunigung aus. Sammeln Sie das zeitaufgelöste Bild auf die gleiche Weise, um einen Hintergrund zu erhalten. Das differentielle IR-Schwingungsspektrum eines pi-COT-basierten Flüssigkristall-Dünnfilms wies Peaks auf, die den Streckungsmoden der COT- und Thiazol-Ringe und der Biphenylmoyade entsprachen, die in der flachen T1-Form von pi-COT stark IR-aktiv sind.

Die zeitabhängige Entwicklung der Peakintensität hatte eine Wellenzahl von 1338 reziproken Zentimetern. Es stimmt mit der Bestätigung des Wechsels zwischen Sattel und Wohnung innerhalb von 2 Pikosekunden überein. Gefolgt von einer Relaxation in die ursprüngliche Sattelform in 10 bis 20 Pikosekunden für einzelne Moleküle oder 150 Pikosekunden für gestapelte Moleküle.

Die Elektronenbeugungsspitzen aus den photoresponsiven Moyaden wurden aus dem langen Muster extrahiert, das von langen Kohlenstoffketten dominiert wird, indem das anfängliche Beugungsmuster von einem Muster subtrahiert wurde, das 500 Pikosekunden nach UV-Pulsstrahlung erhalten wurde. Die positiven und negativen Peaks zeigten die Bildung bzw. den Verlust von Strukturmerkmalen um 500 Pikosekunden nach der Bestrahlung an. Die Bildung einer neuen geordneten Struktur begann etwa 200 Pikosekunden nach der Photoanregung, was mit der Relaxation zur ursprünglichen Sattelform in gestapelten Molekülen übereinstimmt.

Der Verlust der Pi-Pi-Stapelordnung auf einer Zeitskala von 300 Pikosekunden wurde auf eine kleine Anzahl von flachen Konformeren mit einer Lebensdauer von 300 bis 1000 Pikosekunden zurückgeführt, die sich verdrehten, um die sterische Behinderung zu minimieren. Die Idee zu dieser Methode hatten wir erstmals, als wir über Flüssigkristalle sprachen, die normalerweise nicht nach Beugungszeiten untersucht werden, weil sie keine guten Elektronenbeugungsmuster liefern. Unsere Methodik ermöglicht die Identifizierung von Veränderungen in Beugungsmustern von Flüssigkristallen und ermöglicht so den Zugang zu wichtigen Strukturinformationen und ultraschneller Moleküldynamik.

Einmal gemeistert, können diese Techniken in einem halben Tag durchgeführt werden, wenn sie richtig ausgeführt werden. Diese Techniken können möglicherweise verwendet werden, um weitere Fragen zur Struktur und ultraschnellen Dynamik komplexerer Biomaterialien zu beantworten.