Un abonnement JoVE est requis pour visualiser ce contenu. Connectez-vous ou commencez votre période d'essai gratuite.

Article de méthode

Changement photorhéologique rapide et à contraste élevé d'un cristal liquide nematique Twist-Bend

5.9K vues

⸱

DOI :

10.3791/60433

⸱

31 octobre 2019

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

Dans cet article

Résumé

Ce protocole démontre la préparation d'un matériau photorhéologique qui présente une phase solide, diverses phases cristallines liquides, et une phase liquide isotrope en augmentant la température. Présentés ici sont des méthodes pour mesurer la relation structure-viscoélasticité du matériau.

Résumé

Les matériaux viscoélastiques intelligents qui répondent à des stimuli spécifiques sont l'une des classes de matériaux les plus attrayantes pour les technologies futures, telles que les technologies d'adhérence commutable à la demande, les actionneurs, les embrayages moléculaires et la masse nano/microscopique Transporteurs. Récemment, il a été constaté que grâce à une transition spéciale solide-liquide, les propriétés rhéologiques peuvent présenter des changements importants, fournissant ainsi des matériaux viscoélastiques intelligents appropriés. Cependant, la conception de matériaux avec une telle propriété est complexe, et les temps de commutation vers l'avant et vers l'arrière sont généralement longs. Par conséquent, il est important d'explorer de nouveaux mécanismes de travail pour réaliser des transitions solides-liquides, raccourcir le temps de commutation, et améliorer le contraste des propriétés rhéologiques pendant la commutation. Ici, on observe une transition de phase cristal-liquide induite par la lumière, qui se caractérise par une microscopie lumineuse polarisante (POM), une photorhéométrie, une calorimétrie de balayage photo-différentiel (photo-DSC) et une diffraction aux rayons X (XRD). La transition de phase cristal-liquide induite par la lumière présente des caractéristiques clés telles que (1) commutation rapide des phases cristal-liquide pour les réactions avant et arrière et (2) un rapport de contraste élevé de viscoélasticité. Dans la caractérisation, POM est avantageux en offrant des informations sur la distribution spatiale des orientations des molécules LC, en déterminant le type de phases cristallines liquides apparaissant dans le matériau, et en étudiant l'orientation des LC. Photorheométrie permet de mesurer les propriétés rhéologiques d'un matériau sous des stimuli lumineux et peut révéler les propriétés de commutation photorhéologique des matériaux. Photo-DSC est une technique pour étudier l'information thermodynamique des matériaux dans l'obscurité et sous l'irradiation de lumière. Enfin, XRD permet d'étudier les structures microscopiques des matériaux. Le but de cet article est de présenter clairement comment préparer et mesurer les propriétés discutées d'un matériau photorhéologique.

Introduction

Les matériaux mécaniques intelligents ayant la capacité de modifier leurs propriétés viscoélastiques en réponse aux variations environnementales ont suscité un énorme intérêt chez les chercheurs. La commutation est considérée comme le facteur matériel le plus important, qui offre la robustesse de la réponse mécanique répétitive chez les organismes vivants. À ce jour, les matériaux commutables artificiels avec des fonctions polyvalentes ont été conçus en utilisant la matière molle (c.-à-d., hydrogels photoresponsive1,2,3, polymères4,5, 6,7,8,9,10,11, cristaux liquides [LCs]9,10,11, 12,13,14,15,16,17, pH-sensiblemicelles18,19,20 ,21,22, et les surfactants23). Cependant, ces matériaux souffrent de plus d'un des problèmes suivants : manque de réversibilité, faible rapport de contraste de commutation de viscoélasticité, faible adaptabilité et vitesse de commutation lente. Dans les matériaux conventionnels, il existe un compromis entre le rapport de contraste de commutation de la viscoélasticité et la vitesse de commutation; par conséquent, il est difficile de concevoir des matériaux couvrant tous ces critères à haute performance. Pour réaliser des matériaux avec l'omnicapacité susmentionnée, la sélection ou la conception de molécules qui portent des natures émergentes de haute fluidité (propriété visqueuse) et de rigidité (propriété élastique) est essentielle.

Les cristaux liquides sont des systèmes idéaux avec un nombre potentiellement élevé de phases cristallines et solides liquides qui peuvent être réglés par la conception moléculaire. Cela permet des structures auto-assemblées à différentes échelles de longueur en particulier les phases LC. Par exemple, alors que les LC nématiques à haute symétrie (LLC) présentent une faible viscosité et une faible élasticité en raison de leur ordre spatial à courte portée, les LC colonnenaires ou smectiques à faible symétrie présentent une viscosité et une élasticité élevées en raison d'une et deux dimensions à longue portée. périodicités. On s'attend à ce que si les matériaux LC peuvent être commutés entre deux phases avec de grandes différences dans leurs propriétés viscoélastiques, alors un matériel intelligent viscoélastique avec la haute performance peut être réalisé. Quelques exemples ont été rapportés9,10,11,12,13,14,15.

Cet article démontre la préparation d'un matériel photorhéologique LC avec une séquence de phase de isotropic (I)-nematic (N)-twist-bend nématic (TB)24-crystal (Cry) au refroidissement (et vice versa au chauffage), qui montre rapide et réversible viscoélastique en réponse à la lumière. Présentés ici sont les méthodes pour mesurer la viscoélasticité et une illustration de la structure microscopique-viscoécité relation. Les détails sont décrits dans les sections des résultats et des discussions représentatives.

Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.

Protocole

1. Préparation des surfaces frottées pour aligner les molécules LC planairement

  1. Préparer des substrats de verre propres.
    1. Couper les substrats de verre à l'aide d'un coupe-verre à base de diamants (Table of Materials) en petits morceaux carrés de taille moyenne de 1 cm x 1 cm. Lavez-les par sonication à 38 kHz ou 42 kHz dans un détergent alcalin ( Table ofMaterials, dilué dans l'eau à un détergent : rapport de volume d'eau de 1:3) et rincer à l'eau distillée à plusieurs reprises (généralement, plus de 10 x avec 5 min de sonication pour chaque rinçant).
    2. Soumettre les substrats à l'ultraviolet-ozone (UV-O3) plus propre (Tableau des matériaux) pendant plus de 10 min.
  2. Couche d'alignement planaire de manteau sur des substrats de verre propres.
    1. Égoutter 20 'L de 1 ml d'une solution d'alignement planaire polyimide (Tableau des matériaux, utilisé tel quel) avec une pipette sur les substrats de verre nettoyés. Immédiatement spin-coat de la solution, à l'aide d'un spin coater (Table of Materials) à 3.000 tr/min et la température ambiante (RT) pour 70 s.
      REMARQUE : L'épaisseur typique de la couche d'alignement est d'environ 20 nm.
    2. Cuire les substrats de verre enduits à 80 oC pendant 60 min pour enlever le solvant et à 180 oC pour le traitement. Frotter les substrats à l'aide d'une machine à frotter en tissu rayon(Tableau des matériaux) avec les paramètres suivants : vitesse de rotation de 300 tr/min, vitesse de la plaque de 20 mm/s et impression de 0,3 mm pour réaliser l'alignement uniaxial des matériaux LC.

2. Préparation des cellules LC

  1. Placez un substrat en verre recouvert de la couche d'alignement sur un autre substrat, avec les couches d'alignement face à face, et assurez-vous qu'ils sont 80% superposés pour former une cellule.
    REMARQUE : Les 20 % de surfaces non superposées doivent être utilisées pour introduire des matériaux LC dans la cellule.
  2. Placer 100 l d'un adhésif photoréactif (Tableau des matériaux) et 0,1 mg de particules de verre de la taille d'un micromètre (diamètre de 5 m) sur un substrat de verre propre et les mélanger manuellement à l'aide de la pointe d'un trombone. Déplacer le matériau mélangé à quatre coins de la cellule pour ajuster l'espace cellulaire et éclairer la cellule à l'aide d'une lampe à arc à arc à air court à vapeur de mercure à basse pression (Table of Materials) avec une longueur d'onde de 365 nm (1,1 W/cm2). Placez la cellule sous la lampe LED à une distance de 1 cm pendant 5 min.
  3. Après l'illumination, placez la cellule sur une scène chaude et placez la température cible de la scène pour chauffer la cellule à une température au-dessus de la transition de phase isotrope liquide (I)-nematic (N) (généralement à 160 oC). Transférer le matériel LC (1-[4-butoxyazobenzene-4'-yloxy]-6-[4-cyanobiphenyl-4' yl]hexane; CB6OABOBu; 0,2 à 10,0 L) sur une surface ouverte de la cellule et pousser les matériaux vers l'entrée de la cellule à l'aide d'une microspatule pour obtenir le contact entre le matériau LC et l'entrée de la cellule. Attendez que les matériaux LC soient remplis dans la cellule par la force capillaire.
    REMARQUE : CB6OABOBu a une séquence de phase : Cry 100.3 C TB 105.2 C N 151.7 C I sur le chauffage et I 151.4 C N 104.5 'C TB 83 'C Cry sur le refroidissement. N'introduisez pas CB6OABOBu dans la phase N ou la phase DE la tuberculose parce que l'alignement induit par le flux est encouragé.

3. Caractérisation de texture en polarisant la microscopie optique

  1. Observez les cellules LC placées sur la scène chaude pour contrôler la température de l'échantillon (40 à 180 oC) avec une précision de 0,1 K sous un microscope à lumière polarisante (POM, Table of Materials)à l'aide de lentilles objectives 4x-100x. Enregistrez les textures à l'aide d'un appareil photo couleur numérique de façon séquentielle pendant le refroidissement et le chauffage.
  2. Utilisez un épi-illuminateur UV (Table of Materials) équipé sur le POM d'une longueur d'onde de 365 nm (50 mW/cm2).

4. Mesures photorhéologiques

  1. Préparer des mesures rhéologiques.
    1. Avant de placer un échantillon sur le stade du rhéomètre (Tableau des matériaux), effectuer l'étalonnage de l'inertie de géométrie et l'étalonnage zéro écart contrôlé par un logiciel selon les instructions du fabricant pour assurer l'exactitude de l'étude rhéologique . Peser 250 mg de l'échantillon de poudre CB6OABOBu et le charger sur la plaque de quartz de base du rhéomètre.
      REMARQUE : Pour la présente étude, une plaque d'un diamètre de 50 mm est utilisée.
    2. Définir la température de la chambre d'échantillon à une valeur supérieure au point de transition de la phase I-N (160 oC). Définir une valeur d'écart pour approcher la plaque de mesure à la plaque de quartz de base pour sandwicher l'échantillon (valeur d'écart typique utilisée à 20 m). Couper l'échantillon excédentaire (p. ex., à l'aide de lingettes en papier) qui se trouve à l'extérieur de l'espace lorsque la plaque de mesure s'arrête à la position de coupe, qui est de 25 m au-dessus de l'écart visé.
      REMARQUE : Ne permettez pas que la quantité excessive de CB6OABOBu soit introduite dans la chambre d'échantillon, car cela rend les mesures inexactes.
  2. Effectuer des mesures rhéologiques.
    1. Irradier la lumière UV à 365 nm (1 à 100 mW/cm2),mesurant la commutation photorhéologique de CB6OABOBu à l'aide de la lampe à arc court à vapeur de mercure à haute pression.
      REMARQUE : La lumière sera guidée sous le récipient d'échantillon à travers la plaque de quartz de base.
    2. Effectuer des mesures en 1) mode oscillatoire pour extraire l'information de restauration dynamique du matériau et 2) mode rotationnel stable pour obtenir une viscosité rotationnelle efficace. Pour les mesures en mode rotation, appliquez un stress constant de cisaillement de 13 Pa à l'échantillon pour s'assurer que la mesure est faite dans le régime newtonien.
      REMARQUE : La sélection des modes est effectuée par un logiciel selon les instructions du fabricant.

5. Calorimétrie de balayage photo-différentiel

  1. Peser 10 mg d'échantillon de poudre CB6OABOBu et le charger dans une casserole de balayage différentiel d'or (DSC). Chauffer l'échantillon à 170 oC dans la phase isotrope et s'assurer qu'il n'y a pas de distribution d'échantillons inhomogènes dans la casserole DSC comme on l'observe à l'œil nu. Couvrir la casserole DSC d'une plaque à quartz.
  2. Effectuer des mesures photo-DSC selon les instructions du fabricant (Tableau des matériaux). Mesurer les données DSC à un balayage de 10 oC/min.
    REMARQUE : La machine photo-DSC est équipée d'une intensité lumineuse UV de 50 mW/cm2.

6. Caractérisation de la diffraction des rayons X

  1. Chauffez l'échantillon de poudre CB6OABOBu à l'aide de l'étape chaude à 170 oC et aspirez l'échantillon dans un capillaire XRD (diamètre de 0,5 mm) par force capillaire.
  2. Fixez le capillaire à un porte-échantillon équipé d'un contrôleur de température. Définir la température de la chambre (60 oC, 70 oC, 80 oC, 90 oC, 100 oC, 110 oC, 120 oC, 130 oC, 140 oC, 150 oC, 160 oC et 170 oC pour chaque mesure de diffraction des rayons X).
  3. Irradier l'échantillon par rayons X et détecter les faisceaux de rayons X diffractés par un détecteur sans irradiation UV et sous une intensité de lumière UV de 10 mW/cm2 pendant 1 min et 10 min.
    REMARQUE : L'étude actuelle a été menée dans LA ligne de faisceau RIKEN BL45XU. La source de lumière était l'ondulateur in-vacuum standard SPring-8. Un monochromator à double cristaux Si refroidi à l'azote liquide a été utilisé pour monochromatiser le faisceau. La longueur d'onde était de 1 euros.

Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.

Résultats

Des images de POM, des données photorhéométriques, des données photo-DSC et des profils d'intensité XRD ont été recueillis dans l'obscurité pendant la variation de température et tout en brillant la lumière UV. La figure 1a,b représente la structure de CB6OABOBu, avec sa séquence de phase et ses conformations possibles optimisées par le champ de force MM2 dans le programme de modélisation (p. ex. ChemBio3D).

Lorsque CB6OABOBu est dans le trans-éta...

Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.

Discussion

Comme l'a révélé la figure 1, CB6OABOBu est un matériau photo-réactif avec des séquences de phase I, N, TB et Cry au refroidissement. Étant donné que la commande locale de ces phases diffère considérablement, on s'attend à ce que la commutation photo-conduite des propriétés rhéologiques montre le bon contraste viscoélastique. Pour étudier quantitativement ceci, des mesures de photo-rheologie ont été exécutées.

Tout d'abord, nous considérons les données rhéologique...

Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.

Déclarations de divulgation

Les auteurs n'ont rien à révéler.

Remerciements

Ce travail a été soutenu par le projet de recherche conjoint bilatéral HAS-JSPS. Le soutien financier des subventions NKFIH 121019 et FK 125134 est reconnu.

Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
21-401-10AS ONEMicrospatule
AL1254JSRAgent d’alignement planaire pour cristaux liquides
BX53POlympusMicroscope polarisant avec unités de transmission/épi-éclairage
Discovery DSC 25PTI instrumentsÉquipement Photo-DSC Coupe-verre
PRO-1ASankyoA coupe-verre à base de diamant
HS82Mettler Toledohot stage
MCR502Anton PaarA rhéomètre professionnel
MRJ-100SEHCRubbing machine
Norland Optical Adhesive 65, 81Norland ProductsAdhérences photoréactives
OmniCure S2000Excelitas TechnologiesUne lampe commerciale à arc court à vapeur de mercure à haute pression. Maximum 70 mW/cm^2.
PILATUS 6MDectrisDétecteur hybride à comptage de photons pour la détection de diffraction des rayons X
Nettoyantà l’ozone ultraviolet (UV-O3) Technovision
S1126 Matsunami Verre Substrat en verre SC-158H EHC Spin coater SCAT-20X DKS Détergent alcalin SLUV-4 AS ONE Lampe à arc court basse pression à vapeur de mercure UV-208

Références

  1. Grindy, S. C., Holten-Andersen, N. Bio-inspired metal-coordinate hydrogels with programmable viscoelastic material functions controlled by longwave UV light. Soft Matter. 13, 4057-4065 (2017).
  2. Rosales, A. M., Mabry, K. M., Nehls, E. M., Anseth, K. S. Photoresponsive elastic properties of azobenzene-containing poly(ethylene-glycol)-based hydrogels. Biomacromolecules. 16, 798-806 (2015).
  3. Chang, D., Yan, W., Yang, Y., Wang, Q., Zou, L. Reversible light-controllable intelligent gel based on simple spiropyran-doped with biocompatible lecithin. Dyes and Pigments. 134, 186-189 (2015).
  4. Irie, M., Hirano, Y., Hashimoto, S., Hayashi, K. Photoresponsive Polymers. 2. Reversible Solution Viscosity Change of Polymamides Having Azobenzene Residues in the Main Chain. Macromolecules. 14, 262-267 (1981).
  5. Ito, S., Akiyama, H., Sekizawa, R., Mori, M., Yoshida, M., Kihara, H. Light-Induced Reworkable Adhesives Based on ABA-type Triblock Copolymers with Azopolymer Termini. ACS Applied Materials and Interfaces. 10, 32649-32658 (2018).
  6. Yamamoto, T., Norikane, Y., Akiyama, H. Photochemical liquefaction and softening in molecular materials, polymers, and related compounds. Polymer Journal. 50, 551-562 (2018).
  7. Petr, M., Helgeson, M. E., Soulages, J., McKinley, G. H., Hammond, P. T. Rapid Viscoelastic Switching of an Ambient Temperature Range Photoresponsive Azobenzene Side-chain Liquid Crystal Polymer. Polymer. 54, 2850-2856 (2013).
  8. Han, G. G. D., Li, H., Grossman, J. C. Optically controlled long-term storage and release of thermal energy in phase-change materials. Nature Communications. 8, 1-10 (2017).
  9. Akiyama, H., Yoshida, M. Photochemically Reversible Liquefaction and Solidification of Single Compounds Based on a Sugar Alcohol Scaffold with Multi Azo-Arms. Advanced Materials. 24, 2353-2356 (2012).
  10. Akiyama, H., et al. Photochemically reversible liquefaction and solidification of multiazobenzene sugar-alcohol derivatives and application to reworkable adhesives. ACS Applied Materials and Interfaces. 6, 7933-7941 (2014).
  11. Akiyama, H., Fukata, T., Yamashita, A., Yoshida, M., Kihara, H. Reworkable adhesives composed of photoresponsive azobenzene polymer for glass substrates. Journal of Adhesion. 93, 823-830 (2017).
  12. Norikane, Y., et al. Photoinduced Crystal-to-Liquid Phase Transitions of Azobenzene Derivatives and Their Application in Photolithography Processes through a Solid-Liquid Patterning. Organic Letters. 16, 5012-5015 (2014).
  13. Kim, D. Y., Lee, S. A., Kim, H., Kim, S. M., Kim, N., Jeong, K. U. An azobenzene-based photochromic liquid crystalline amphiphile for a remote-controllable light shutter. Chemical Communications. 51, 11080(2015).
  14. Saito, S., et al. Light-melt adhesive based on dynamic carbon frameworks in a columnar liquid-crystal phase. Nature Communications. 7, 1-7 (2016).
  15. Peng, S., Guo, Q., Hughes, T. C., Hartley, P. G. Reversible Photorheological Lyotropic Liquid Crystals. Langmuir. 30, 866-872 (2014).
  16. Ito, S., Yamashita, A., Akiyama, H., Kihara, H., Yoshida, M. Azobenzene-Based (Meth)acrylates: Controlled Radical Polymerization, Photoresponsive Solid–Liquid Phase Transition Behavior, and Application to Reworkable Adhesives. Macromolecules. 51, 3243-3253 (2018).
  17. Yue, Y., Norikane, Y., Azumi, R., Koyama, E. Light-induced mechanical response in crosslinked liquid-crystalline polymers with photoswitchable glass transition temperatures. Nature Communications. 9, 1-8 (2018).
  18. Lee, H. Y., Diehn, K. K., Sun, K., Chen, T., Raghavan, S. R. Reversible Photorheological Fluids Based on Spiropyran-Doped Reverse Micelles. Journal of the American Chemical Society. 133, 8461-8463 (2011).
  19. Su, X., Cunningham, M. F., Jessop, P. G. Switchable viscosity triggered by CO2 using smart worm-like micelles. Chemical Communications. 49, 2655-2657 (2013).
  20. Cho, M. Y., Kim, J. S., Choi, H. J., Choi, S. B., Kim, G. W. Ultraviolet light-responsive photorheological fluids: as a new class of smart fluids. Smart Materials and Structures. 26, 1-8 (2017).
  21. Oh, H., et al. A simple route to fluids with photo-switchable viscosities based on a reversible transition between vesicles and wormlike micelles. Soft Matter. 9, 5025-5033 (2013).
  22. Akamatsu, M., et al. Photoinduced viscosity control of lecithin-based reverse wormlike micellar systems using azobenzene derivatives. RSC Advances. 8, 23742-23747 (2018).
  23. Song, B., Hu, Y., Zhao, J. A single-component photo-responsive fluid based on a gemini surfactant with an azobenzene spacer. Journal of Colloid and Interface Science. 333, 820-822 (2009).
  24. Borshch, V., et al. Nematic twist-bend phase with nanoscale modulation of molecular orientation. Nature Communications. 4, 2635-2643 (2013).
  25. Panov, V. P., et al. Spontaneous Periodic Deformations in Nonchiral Planar-Aligned Bimesogens with a Nematic-Nematic Transition and a Negative Elastic Constant. Physical Review Letters. 105, 1-4 (2010).
  26. Aya, S., et al. Fast-and-Giant Photorheological Effect in a Liquid Crystal Dimer. Advanced Materials Interfaces. 6, 1-7 (2019).
  27. Ishiba, K., et al. Photoliquefiable ionic crystals: A phase crossover approach for photon energy storage materials with functional multiplicity. Angewandte Chemie International Edition. 54, 1532-1536 (2015).
  28. Zhou, H., et al. Photoswitching of glass transition temperatures of azobenzene-containing polymers induces reversible solid-to-liquid transitions. Nature Chemistry. 9, 145-151 (2017).

Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.

Réimpressions et autorisations

Mots-clés

Microscopie en lumi re polaris ephotorh o m triecalorim trie diff rentielle balayage photo induitediffraction des rayons Xirradiation UVpropri t s visco lastiquesremplissage capillaire
Changement photorhéologique rapide et à contraste élevé d'un cristal liquide nematique Twist-Bend
Contactez-nous
Recommander à la bibliothèque

Confidentialité

Conditions d'utilisation

Politiques

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Tous droits réservés.