Article de méthode

Transition orientale dans un cristal liquide déclenché par la croissance thermodynamique des feuilles de mouillage interfaciales

DOI :

10.3791/55729

⸱

15 mai 2017

 , 
1RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS)

Dans cet article

Résumé

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

Ici, nous présentons un protocole pour déclencher une transition d'orientation d'un cristal liquide en réponse à la température. Des méthodologies sont décrites pour préparer un échantillon afin d'observer la transition et l'évolution de transition détaillée.

Résumé

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

Dans la chimie physique à cristaux liquides (LC), les molécules proches de la surface jouent un rôle important dans le contrôle de l'orientation en masse. Jusqu'à présent, principalement pour atteindre les états d'orientation moléculaire souhaités dans les écrans LC, la propriété de surface "statique" des LC, appelée ancre de surface, a été étudiée de manière intensive. En règle générale, une fois que l'orientation initiale des LC est "verrouillée" par des traitements de surface spécifiques, comme le frottement ou le traitement avec une couche d'alignement spécifique, elle change à peine avec la température. Ici, nous présentons un système présentant une transition d'orientation sur la variation de température, qui est en contradiction avec le consensus. Juste à la transition, les molécules LC en vrac connaissent la rotation d'orientation, avec 90 ° entre l'orientation planaire (P) à haute température et l'orientation verticale (V) à basses températures de première transition. Nous avons suivi le comportement d'ancrage de la surface thermodynamique par microscopie optique polarisante (POM), la spectroscopie diélectrique (DS), la calorimétrie à balayage différentiel à haute résolution (HR-DSC) et la diffraction des rayons X d'incidence du pâturage (GI-XRD) et ont atteint une explication physique plausible: que la transition est déclenchée par une croissance de la surface Feuilles mouillantes, qui imposent l'orientation V localement contre l'orientation P dans la masse. Ce paysage fournirait un lien général expliquant comment l'orientation en vrac à l'équilibre est affectée par une orientation localisée dans de nombreux systèmes LC. Dans notre caractérisation, POM et DS sont avantageux en proposant des informations sur la répartition spatiale de l'orientation des molécules LC. HR-DSC donne des informations sur les informations thermodynamiques précises sur les transitions, qui ne peuvent être abordées par les instruments DSC conventionnels en raison d'une résolution limitée. GI-XRD fournit des informations sur l'orientation moléculaire spécifique de la surface et les commandes à courte portée. Le but de cet article est de présenter un protocole pour la préparation d'un échantillon qui présente le transiEt de démontrer comment la variation structurelle thermodynamique, à la fois en vrac et sur les surfaces, peut être analysée selon les méthodes susmentionnées.

Introduction

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Au cours des dernières années, il s'est intéressé de plus en plus à apprendre comment les caractéristiques moléculaires dynamiques et les structures des molécules de surface en réponse aux stimuli externes pourraient affecter l'orientation en masse des matériaux dans les états LC. Un exemple est d'utiliser les biosensors de LC comme nouvelle application de LC 1 , 2 . Pour quantifier le nombre de bio-espèces cibles, il est important de savoir comment les LC interfaciales qui entrent en contact avec les molécules cibles adhérentes changent et évoluent, tout en détectant et comment elles transmettent / traduisent leurs propriétés dans la masse.

En utilisant des modèles pour poursuivre ces réponses, nous avons commencé avec des systèmes dont l'orientation moléculaire de surface et les commandes à courte portée varient thermodynamiquement. Ces systèmes nous permettent de corréler systématiquement les changements dans l'orientation de la surface et les commandes avec l'orientation en vrac résultante. Récemment, nous avons trouvé plusieurs systèmes LC qui présententTransitions rientales, où une orientation moléculaire spontanée en vrac change avec la température. En principe, les transitions d'orientation peuvent être catégorisées en transition quasi-second ordre 3 , 4 ou quasi-premier ordre 5 , 6 , 7 , 8 . Le premier s'accompagne d'une réorientation moléculaire globale en vrac lors des changements de température, alors que la seconde démontre une discontinuité. Dans cet article, nous décrivons une transition d'orientation de manière quasi-première entre les états d'orientation P et V. Il se déroule dans la phase unique de Nematic (N) en changeant la température. Des détails seront fournis dans les résultats représentatifs et dans la discussion.

Étant donné que le changement d'orientation dans le volume doit être régi par une modification de l'orientation moléculaire de surface et de courte durée-range orderings, il est évident que ce système peut potentiellement donner un aperçu de la façon dont la variation thermodynamique de l'orientation moléculaire de surface et des commandes à courte portée affecte l'orientation en masse. Dans cet article, dans le but de comprendre les problèmes susmentionnés, nous avons abordé trois problèmes en utilisant quatre méthodes complémentaires (pOM, DS, HR-DSC et GI-XRD): (1) À quoi ressemble la transition d'orientation? (2) La transition d'orientation est-elle thermiquement détectable? (3) Pourquoi et comment se produit la transition d'orientation?

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Protocole

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1. Préparation de la couche d'alignement de cristaux liquides d'un polymère perfluoré sur des substrats en verre

  1. Préparation de la solution de perfluoropolymère
    1. Préparer 1 ml de la solution de perfluoropolymère en dissolvant une solution de perfluoropolymère (9% en poids de polymère) dans un solvant commercial à un rapport de 1: 2; Cela garantit que les films uniformes de 0,5 à 1 μm d'épaisseur soient revêtus par centrifugation.
      REMARQUE: voir la liste des matériaux pour la solution et le solvant utilisé.
  2. Revêtement du perfluoropolymère sur des substrats de verre propre
    1. Laver les substrats en verre (taille typique: 1 cm x 1 cm) par sonication à 38 ou 42 kHz dans un détergent alcalin. Rincer à plusieurs reprises avec de l'eau distillée. Typiquement, rincer plus de 10 fois, avec 5 minutes de sonication à chaque fois.
    2. Soumettre les substrats au nettoyant UV-O 3 pendant 10 min.
    3. Goutte 20 μL de la solution de l'étape 1.1 sur le verre nettoyé substraTes. Enrouler immédiatement la solution à 3500 tr / min et la température ambiante pendant 70 s. Cuire le film à 80 ° C pendant 60 minutes pour éliminer le solvant et à 200 ° C pendant 60 minutes pour le durcissement.

2. Préparation des cellules LC

  1. Collez deux substrats en verre revêtus de film ensemble à l'aide d'une résine photodurcissable et d'une lampe LED avec une longueur d'onde de 365 nm (1,1 W / cm 2 ). Ajuster l'épaisseur de l'espace entre les deux substrats dans la plage de 2-100 μm en utilisant des particules de verre de taille micrométrique ou des films de polyéthylène naphtalate.
  2. Introduire un matériau LC, 4-butyl-4-heptyle-bicyclohexyl-4-carbonitrile (CCN47; 0,2-10 μL) 9 sur les cellules LC préparées en utilisant une spatule sous la force capillaire à une température supérieure au liquide isotrope (I) -nématique (N) température de transition de phase.
    NOTE: CCN47 a une anisotropie diélectrique négative, et la séquence de phase est Cry 298.6 K SmA 301.3 KN 331,3 KI, où Cry et SmA représentent les phases A cristallines et smectiques. Ne pas introduire CCN47 en phase N ou en phase SmA, car l'alignement induit par le flux serait favorisé.

3. Caractérisation de l'échantillon

  1. Observation de la texture par microscopie optique polarisante (POM) 10
    1. Observez les cellules LC sous POM avec des lentilles d'objectif 4-100X conjointement avec un étage chaud pour contrôler la température de l'échantillon avec une précision de ± 0,1-K. Enregistrez les textures dans plus de 5 images, à intervalles réguliers par Kelvin. Utilisez une caméra couleur numérique séquentiellement, à la fois lors du refroidissement et du chauffage dans la plage de 291 à 343 K.
  2. Spectroscopie diélectrique (DS) 11
    1. Préparez des cellules LC, avec des électrodes ITO - qui peuvent avoir une forme carrée ou circulaire et peuvent être achetées sur le marché - sur les deux substrats. Souder un fil conducteur sur chaque substrat.
      REMARQUE: consultez la liste des matériaux pour les substrats utilisés.
    2. Mesurez la capacité ou la constante diélectrique des cellules LC, exactement comme utilisé pour POM, en utilisant un analyseur de phase d'impédance / gain. Assurez-vous que l'état des échantillons est équilibré avant chaque mesure. Mesurer la dépendance temporelle de la capacitance ou la constante diélectrique des cellules LC en mesurant la capacité des cellules LC manuellement toutes les 5 min.
    3. Démarrez la mesure DS uniquement si la capacité ou la constante diélectrique des cellules LC ne dépend pas du temps.
  3. Calorimétrie à balayage différentiel haute résolution (HR-DSC) 12
    1. Mettez les cellules LC dans un HR-DSC fait à la maison pour être examinées, exactement comme dans POM (n'utilisez jamais de casseroles DSC). Reportez-vous à la Référence 12 pour concevoir et construire un HR-DSC et apprendre à l'utiliser. Effectuer des mesures avec des taux de balayage de 0,05 à 0,10 K / min pour améliorer la puissance minimale de résolution de la températureEr.
  4. Diffraction des rayons X incidente de pâturage (GI-XRD) 13
    1. Mettez la cellule LC (utilisée pour POM ou DSC) ou un échantillon avec une goutte de CCN47 de 2 à 5 μL sur un substrat revêtu sur l'étage d'échantillonnage GI-XRD, qui doit être équipé d'un contrôleur de température.
    2. Equilibrer l'échantillon pendant plus de 10 min à des températures souhaitées dans la plage de 291 à 343 K, à la fois lors du refroidissement et du chauffage.
    3. Utilisez un faisceau de rayons X incident sur l'échantillon, avec un angle d'incidence minime autour de 0,05-0,10 °, pour extraire des informations de surface sur l'orientation moléculaire et les commandes / structures. Swing l'angle d'incidence du faisceau de rayons X pour trouver l'angle d'incidence optimal à laquelle la force de la diffraction est la plus forte. Prenez les mesures à l'angle d'incident optimal.
      REMARQUE: Gardez à l'esprit que GI-XRD permet de sonder les particularités interfaciales à l'échelle nanométrique, maximisant ainsi le signal de la lisse minceAyers tout en minimisant le signal de la masse. Notez que les géométries XRD normales, autres que GI-XRD, ne sont pas des méthodes sensibles à la surface, puisque le faisceau de rayons X a une grande profondeur de pénétration dans les matériaux.

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Résultats

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Les images POM, les données DS, les données HR-DSC et les modèles GI-XRD ont été recueillis lors de la variation de température, en particulier au voisinage de la transition d'orientation à la fois sur le refroidissement et le chauffage.

La figure 1 représente l'évolution de la texture réalisée par les mesures POM et DS pendant l'observation POM de la transition d'orientation de l'état d'orientati...

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Discussion

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Les images 10x POM prises en utilisant une cellule LC de 5 μm ( figures 1a et b ) montrent clairement que l'état d'orientation des molécules LC en vrac transite entre les orientations P et V lors de la variation de température d'une manière de premier ordre. Ceci est marqué par les processus de nucléation et de croissance du domaine, avec une nouvelle orientation différente de l'orientation initiale de 90 °. Les températures de transition lors du refroidissement et du chauffage sont res...

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Déclarations de divulgation

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Les auteurs n'ont rien à dévoiler.

Remerciements

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Ce travail a été soutenu par JSPS KAKENHI numéro de concession 16H06037. Nous remercions sincèrement le Dr Yuji Sasaki à l'Université de Hokkaido pour une assistance technique pour HR-DSC.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
CYTOPAsahi Glass Co., Ltd.CTX-809A
Solvant pour CYTOPAsahi Glass Co., Ltd.CT-180 Sol.
Détergent alcalinMerck KGaAExtran MA01
NOA61Norland Products, Inc.#37-322Achetable chez Edmund Optics
AL1254JSR CorporationMatériau d’alignement planaire dans des cellules faites maison
4'-butyl-4-heptyl-bicyclohexyl-4-carbonitrileNematel GmbH & Co. KG
Nettoyeur UV-O3Technovision Inc.UV-208
à étage chaudMettler ToledoHS82
Tête de caméra couleur haute définitionNikonDS-Fi1
Analyseur d’impédance/phase de gainSolartron Analytical1260
Substrat revêtu d’oxyde d’indium et d’étain (ITO)GEOMATEC Co. Ltd.Sur mesure
sur mesure Système

Références

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  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).
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  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).
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  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).
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Mots-clés

Microscopie optique lumi re polaris espectroscopie di lectriquecalorim trie diff rentielle balayage haute r solutiondiffraction des rayons X en incidence rasanteancrage thermodynamique de surfacefeuillets de mouillage quasi smectique Asolution de perfluoropolym red p t par centrifugation

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