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Artículo de método

Cambio fotorreológico rápido y de alto contraste de un cristal líquido nemático Twist-Bend

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DOI:

10.3791/60433

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31 de octubre de 2019

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1RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS), 2Institute for Solid State Physics and Optics, Wigner Research Center for Physics, Hungarian Academy of Sciences, 3Department of Chemistry, School of Natural and Computing Sciences, University of Aberdeen, 4Chemical Physics Interdisciplinary Program and Liquid Crystal Institute, Kent State University

En este artículo

Resumen

Este protocolo demuestra la preparación de un material fotorreológico que exhibe una fase sólida, varias fases cristalinas líquidas y una fase líquida isotrópica mediante el aumento de la temperatura. Aquí se presentan los métodos para medir la relación estructura-viscoelasticidad del material.

Resumen

Los materiales viscoelásticos inteligentes que responden a estímulos específicos son una de las clases más atractivas de materiales importantes para las tecnologías futuras, como las tecnologías de adhesión conmutables bajo demanda, actuadores, embragues moleculares y masa nanomicroscópica Transportadores. Recientemente se descubrió que a través de una transición especial sólido-líquido, las propiedades reológicas pueden presentar cambios significativos, proporcionando así materiales viscoelásticos inteligentes adecuados. Sin embargo, el diseño de materiales con una propiedad de este tipo es complejo, y los tiempos de conmutación hacia adelante y hacia atrás suelen ser largos. Por lo tanto, es importante explorar nuevos mecanismos de trabajo para realizar transiciones sólido-líquido, acortar el tiempo de conmutación y mejorar el contraste de las propiedades reológicas durante el cambio. Aquí, se observa una transición de fase cristalino-líquida inducida por la luz, que se caracteriza por el medio de la microscopía de luz polarizadora (POM), fotorheometría, calorimetría de escaneo fotodiferencial (foto-DSC) y difracción de rayos X (RDX). La transición de fase cristalino-líquido inducida por la luz presenta características clave como (1) conmutación rápida de fases cristalino-líquida para reacciones hacia adelante y hacia atrás y (2) una alta relación de contraste de viscoelasticidad. En la caracterización, POM es ventajoso al ofrecer información sobre la distribución espacial de las orientaciones de moléculas LC, determinar el tipo de fases cristalinas líquidas que aparecen en el material, y estudiar la orientación de LC. permite la medición de las propiedades reológicas de un material bajo estímulos ligeros y puede revelar las propiedades fotorreológicas de conmutación de los materiales. Photo-DSC es una técnica para investigar la información termodinámica de los materiales en la oscuridad y bajo irradiación de luz. Por último, XRD permite el estudio de estructuras microscópicas de materiales. El objetivo de este artículo es presentar claramente cómo preparar y medir las propiedades discutidas de un material fotorreológico.

Introducción

Los materiales mecánicos inteligentes con la capacidad de cambiar sus propiedades viscoelásticas en respuesta a la variación ambiental han generado un enorme interés entre los investigadores. La conmutación se considera el factor material más importante, que ofrece robustez de la respuesta mecánica repetitiva en organismos vivos. Hasta la fecha, los materiales conmutables artificiales con funciones versátiles se han diseñado utilizando materia blanda (es decir, hidrogeles fotorendientes1,2,3, polímeros4,5, 6,7,8,9,10,11, cristales líquidos [LCs]9,10,11, 12,13,14,15,16,17, micelas sensibles al pH18,19,20 ,21,22,y tensioactivos23). Sin embargo, estos materiales sufren más de uno de los siguientes problemas: falta de reversibilidad, baja relación de contraste de conmutación de viscoelasticidad, baja adaptabilidad y velocidad de conmutación lenta. En los materiales convencionales, existe un equilibrio entre la relación de contraste de conmutación de viscoelasticidad y velocidad de conmutación; por lo tanto, diseñar materiales que cubran todos estos criterios con alto rendimiento es un reto. Para realizar materiales con la omnicapacidad antes mencionada, es esencial seleccionar o diseñar moléculas que lleven naturalezas emergentes tanto de alta fluidez (propiedad viscosa) como de rigidez (propiedad elástica).

Los cristales líquidos son sistemas ideales con un número potencialmente grande de fases cristalinas y sólidas líquidas que se pueden ajustar mediante el diseño molecular. Esto permite estructuras autoensambladas a diferentes escalas de longitud en determinadas fases LC. Por ejemplo, mientras que los LC nemáticos de alta simetría (NLC) presentan baja viscosidad y elasticidad debido a su orden espacial de corto alcance, los LC columnores o smecticos de baja simetría muestran alta viscosidad y elasticidad debido a un y dos dimensiones de largo alcance Periodicidades. Se espera que si los materiales LC se pueden cambiar entre dos fases con grandes diferencias en sus propiedades viscoelásticas, entonces se puede lograr un material inteligente viscoelástico con alto rendimiento. Se han notificado algunos ejemplos9,10,11,12,13,14,15.

Este artículo demuestra la preparación de un material lc fotorreológico con una secuencia de fase de isotrópico (I)-nematic (N)-twist-bend nematic (TB)24-cristal (Cry) al enfriamiento (y viceversa al calentar), que exhibe rápido y reversible conmutación viscoelástica en respuesta a la luz. Aquí se presentan los métodos para medir la viscoelasticidad y una ilustración de la relación estructura microscópica-viscoelasticidad. Los detalles se describen en las secciones representativas de resultados y discusión.

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Protocolo

1. Preparación de superficies frotadas para alinear las moléculas LC planamente

  1. Prepare sustratos de vidrio limpios.
    1. Cortar sustratos de vidrio utilizando una cortadora de vidrio a base de diamante(Tabla de Materiales)en pequeñas piezas cuadradas con tamaños medios de 1 cm x 1 cm. Lavarlos por sonicación a 38 kHz o 42 kHz en un detergente alcalino(Tabla de materiales,diluido en agua a un detergente: relación de volumen de agua de 1:3) y enjuague con agua destilada repetidamente (normalmente, más de 10 veces con 5 min de sonicación para cada enjuague).
    2. Sujeto los sustratos a limpiador ultravioleta-ozono (UV-O3)(Tabla de Materiales)durante más de 10 min.
  2. Capa de alineación plana de recubrimiento sobre sustratos de vidrio limpios.
    1. Drip 20 l de 1 ml de una solución de alineación plana de poliimida(Tabla de materiales,utilizada tal como) con una pipeta sobre los sustratos de vidrio limpio. Inmediatamente girar la solución, utilizando una recubridora de espín(Tabla de Materiales)a 3.000 rpm y temperatura ambiente (RT) durante 70 s.
      NOTA: El grosor típico de la capa de alineación es de aproximadamente 20 nm.
    2. Hornee los sustratos de vidrio recubiertos a 80 oC durante 60 minutos para retirar el disolvente y a 180 oC durante >60 min para el curado. Frote los sustratos utilizando una máquina de frotar con rayón-cloth(Tabla de Materiales)con los siguientes parámetros: velocidad de rotación de 300 rpm, velocidad de la placa de 20 mm/s, e impresión de 0,3 mm para realizar la alineación uniaxial de los materiales LC.

2. Preparación de células LC

  1. Coloque un sustrato de vidrio recubierto con la capa de alineación en otro sustrato, con las capas de alineación cara a cara, y asegúrese de que están superpuestas al 80% para formar una célula.
    NOTA: Las superficies no superpuestas del 20% se utilizarán para introducir materiales LC en la celda.
  2. Coloque 100 ml de un adhesivo fotoractivo(Tabla de materiales)y 0,1 mg de partículas de vidrio del tamaño de un micrómetro (diámetro de 5 m) en un sustrato de vidrio limpio y mezcle manualmente utilizando la punta de un clip de papel. Mueva el material mezclado a cuatro esquinas de la celda para ajustar la brecha de la célula e iluminar la celda utilizando una lámpara de arco corto de vapor de mercurio de baja presión(Tabla de materiales)con una longitud de onda de 365 nm (1,1 W/cm2). Coloque la celda debajo de la lámpara LED a una distancia de 1 cm durante 5 min.
  3. Después de la iluminación, coloque la celda en una etapa caliente y ajuste la temperatura objetivo de la etapa para calentar la célula a una temperatura por encima de la transición de fase de líquido isotrópico (I) -nemático (N) (normalmente a 160 oC). Transferir el material LC (1-[4-butoxyazobenzene-4'-yloxy]-6-[4-cyanobiphenyl-4' yl]hexano; CB6OABOBu; 0.2-10.0 l) sobre una superficie abierta de la celda y empujar los materiales hacia la entrada de la celda utilizando una microspastula para obtener contacto entre el material LC y la entrada de la célula. Espere a que los materiales LC se llenen en la célula por fuerza capilar.
    NOTA: CB6OABOBu tiene una secuencia de fase: Cry 100.3 oC TB 105.2 oC N 151.7 oC I en la calefacción y Yo 151.4 oC N 104.5 oC TB 83 oC Llorar en la refrigeración. No introduzca CB6OABOBu en la fase N o TB porque se promueve la alineación inducida por el flujo.

3. Caracterización de textura mediante microscopía óptica polarizadora

  1. Observe las células LC colocadas en la etapa caliente para controlar la temperatura de la muestra (40-180 oC) con una precisión de 0,1 K bajo un microscopio de luz polarizante (POM, Tabla de materiales)utilizando lentes objetivas de 4x a 100x. Grabe texturas utilizando una cámara de color digital secuencialmente durante la refrigeración y el calentamiento.
  2. Utilice un epiiluminador UV(Tabla de Materiales)equipado en el POM con una longitud de onda de 365 nm (50 mW/cm2).

4. Mediciones fotorreológicas

  1. Preparación de mediciones reológicas.
    1. Antes de colocar cualquier muestra en la etapa del reómetro(Tabla de materiales),realice la calibración de inercia de geometría y la calibración de separación cero controlada por un software de acuerdo con las instrucciones del fabricante para garantizar la precisión del estudio reológico . Pesar 250 mg de la muestra de polvo CB6OABOBu y cargarla en la placa de cuarzo base del reómetro.
      NOTA: Para el presente estudio, se utiliza una placa con un diámetro de 50 mm.
    2. Ajuste la temperatura de la cámara de muestra a un valor por encima del punto de transición de fase I-N (>160 oC). Establezca un valor de separación para acercar la placa de medición a la placa de cuarzo base para emparedar la muestra (valor de separación típico utilizado a 20 m). Recortar el exceso de muestra (por ejemplo, mediante el uso de toallitas de papel) que está fuera del hueco cuando la placa de medición se detiene en la posición de recorte, que está 25 m por encima de la separación objetivo.
      NOTA: No permita que se introduzca una cantidad excesiva de CB6OABOBu en la cámara de muestra, ya que esto hace que las mediciones sean inexactas.
  2. Realice mediciones reológicas.
    1. Irradiar luz UV a 365 nm (1 x 100 mW/cm2), midiendo la conmutación fotorreológica de CB6OABOBu utilizando la lámpara de arco corto de vapor de mercurio de alta presión.
      NOTA: La luz se guiará desde debajo del recipiente de muestra a través de la placa de cuarzo base.
    2. Realice mediciones en 1) modo oscilatoliente para extraer información dinámica de restauración del material y 2) modo rotacional constante para obtener viscosidad rotacional efectiva. Para las mediciones en modo rotacional, aplique una tensión de cizallamiento constante de 13 Pa a la muestra para asegurarse de que la medición se realiza en el régimen newtoniano.
      NOTA: La selección de los modos se realiza mediante un software de acuerdo con las instrucciones del fabricante.

5. Calorimetría de escaneo fotodiferencial

  1. Pesar 10 mg de muestra de polvo CB6OABOBu y cargarla en una cacerola de escandalo diferencial de oro (DSC). Calentar la muestra a 170 oC en la fase isotrópica y asegurarse de que no haya una distribución inhomogénea de la muestra en la bandeja DSC observada a simple vista. Cubra la bandeja DSC con una placa de cuarzo.
  2. Realice mediciones de foto-DSC de acuerdo con las instrucciones del fabricante(Tabla de materiales). Mida los datos de DSC a una exploración de 10 oC/min.
    NOTA: La máquina foto-DSC está equipada con una intensidad de luz UV de 50 mW/cm2.

6. Caracterización de la difracción de rayos X

  1. Calentar la muestra de polvo CB6OABOBu utilizando la etapa caliente a 170 oC y aspirar la muestra en un capilar XRD (diámetro de 0,5 mm) por fuerza capilar.
  2. Fije el capilar a un portamuestras equipado con un controlador de temperatura. Ajustar la temperatura de la cámara (60 oC, 70 oC, 80 oC, 90 oC, 100 oC, 110 oC, 120 oC, 130 oC, 140 oC, 150 oC, 160 oC y 170 oC para cada medición de difracción de rayos X).
  3. Irradiar la muestra por rayos X y detectar los haces de rayos X difractados por un detector sin irradiación UV y bajo una intensidad de luz UV de 10 mW/cm2 durante 1 min y 10 min.
    NOTA: El estudio actual se llevó a cabo en RIKEN beamline BL45XU. La fuente de luz era el ondulado estándar SPring-8 en vacío. Se utilizó un monocromador de doble cristal Si refrigerado por nitrógeno líquido para monocromatizar el haz. La longitud de onda era de 1o.

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Resultados

Las imágenes POM, los datos fotorreométricos, los datos de foto-DSC y los perfiles de intensidad XRD se recopilaron en la oscuridad durante la variación de la temperatura y mientras brillaba la luz UV. La Figura 1a,b representa la estructura de CB6OABOBu, con su secuencia de fases y posibles conformaciones optimizadas por el campo de fuerza MM2 en el programa de modelado (por ejemplo, ChemBio3D).

Cuando CB6OABOBu está en el estado trans, aparecen ...

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Discusión

Como se revela en la Figura 1,CB6OABOBu es un material foto-responsivo con secuencias de fase I, N, TB y Cry al enfriamiento. Dado que el orden local de estas fases difiere significativamente, se espera que la conmutación foto-impulsada de las propiedades reológicas muestre un buen contraste viscoelástico. Para investigar cuantitativamente esto, se realizaron mediciones fotorreológicas.

En primer lugar, consideramos los datos reológicos medidos en la oscuridad

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Divulgaciones

Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

Este trabajo fue apoyado por el proyecto bilateral de investigación conjunta HAS-JSPS. Se reconoce el apoyo financiero de las subvenciones NKFIH PD 121019 y FK 125134.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
21-401-10AS ONEMicroespátula
AL1254JSRAgente de alineación plana para cristales líquidos
BX53POlympusMicroscopio polarizador con unidades de transmisión/epiiluminación
Discovery DSC 25PInstrumentosEquipo foto-DSC
Cortador de vidrio PRO-1ASankyoA cortador de vidrio a base de diamante
HS82Mettler Toledoetapa caliente
MCR502Anton PaarA reómetro comercial
MRJ-100SEHCde frotar
Norland Optical Adhesive 65, 81Norland ProductsAdherencias fotorreactivas
OmniCure S2000Excelitas TechnologiesUna lámpara comercial de arco corto de vapor de mercurio de alta presión. Máximo 70 mW/cm^2.
PILATUS 6MDectris Detector híbridoconteo de fotones para detección por difracción de rayos X
S1126Matsunami GlassSustrato
de vidrio SC-158HEHCBarnizador de centrifugado
SCAT-20XDKSDetergente alcalino
SLUV-4AS ONELámpara de arco corto de vapor de mercurio a baja presión
UV-208Limpiadorultravioleta-ozono (UV-O3)
TI Máquina de de Technovision

Referencias

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