מאמר שיטה

מעבר אוריינטלי בקריסטל נוזלי המופעל על ידי הצמיחה התרמודינמית של גליונות הרטבה אינטרפסיאליים

DOI:

10.3791/55729

⸱

15 במאי 2017

 , 
1RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS)

במאמר זה

סיכום

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

כאן, אנו מציגים פרוטוקול כדי להפעיל מעבר אוריינטציה של גביש נוזלי בתגובה לטמפרטורה. מתודולוגיות מתוארות להכנת מדגם על מנת לבחון את המעבר ואת התפתחות המעבר המפורטת.

תקציר

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

ב גביש נוזלי (LC) כימיה פיסיקלית, מולקולות ליד פני השטח לשחק תפקיד גדול בשליטה על אוריינטציה בתפזורת. עד כה, בעיקר כדי להשיג מדינות אוריינטציה הרצוי מולקולרית LC מציג, "השטח" סטטי השטח של LCs, שנקרא משטח עיגון, נחקרה באופן אינטנסיבי. ככלל אצבע, פעם אחת את הכיוון הראשוני של LCs הוא "נעול" על ידי טיפולים משטח ספציפיים, כגון שפשוף או טיפול עם שכבת יישור מסוים, זה בקושי משנה עם הטמפרטורה. כאן, אנו מציגים מערכת המציגה מעבר אוריינטלי על וריאציה טמפרטורה, אשר מתנגש עם הקונצנזוס. ממש על המעבר, מולקולות LC בתפזורת חווים את הסיבוב האוריינטציה, עם 90 ° בין הכיוון המישורית (P) בטמפרטורות גבוהות לבין כיוון אנכי (V) בטמפרטורות נמוכות בסדר המעבר הראשון. יש לנו מעקב תרמודינמי משטח עיגון התנהגות באמצעות מיקרוסקופ אופטי מקטב (POM), ספקטרוסקופיה דיאלקטארית (DS), רזולוציית סריקה דיפרנציאלית סורקית (HR-DSC), ורמות קרני רנטגן (GI-XRD) והגיעו להסבר פיזי מתקבל על הדעת: המעבר נגרם על ידי גידול של פני השטח גליונות הרטבה, אשר מטילים את הכיוון V מקומי מקומי נגד הכיוון P בתפזורת. הנוף הזה יספק קישור כללי המסביר כיצד האוריינטציה הכמותית של שיווי המשקל מושפעת מהכוונה על פני השטח במערכות LC רבות. באפיון שלנו, POM ו DS הם יתרון על ידי מתן מידע על התפלגות המרחב של האוריינטציה של מולקולות LC. HR-DSC מספק מידע על מידע תרמודינמי מדויק על מעברים, אשר לא ניתן לטפל על ידי מכשירים DSC קונבנציונאלי בשל רזולוציה מוגבלת. GI-XRD מספק מידע על אוריינטציה מולקולרית ספציפית על פני השטח ועל הזמנות לטווח קצר. מטרת מסמך זה היא להציג פרוטוקול להכנת מדגם המציג את transiכדי להדגים כיצד וריאציה מבנית תרמודינמית, הן בתפזורת על המשטחים, ניתן לנתח באמצעות השיטות הנ"ל.

מבוא

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

בשנים האחרונות, יש כבר עניין הולך וגדל ללמוד כיצד דינמי תכונות מולקולריות של מולקולות פני השטח בתגובה לגירויים חיצוניים עלול להשפיע על הכיוון הגדול של חומרים במדינות LC. דוגמה אחת היא להשתמש biosensors LC כיישום חדש של LCs 1 , 2 . כדי לכמת כמה ביו מינים היעד מזוהים, חשוב לדעת כיצד LCs interfacial כי קשר מולקולות היעד שמירה להשתנות ולהתפתח, תוך גילוי וכיצד הם להעביר / לתרגם את המאפיינים שלהם בתפזורת.

באמצעות מודלים כדי להמשיך בתשובות אלה, התחלנו עם מערכות שיש להם אוריינטציה מולקולרית פני השטח שלהם לטווח קצר הזמנות משתנים תרמודינמית. מערכות אלו מאפשרות לנו לקשר בין השינויים בכיוון האוריינטציה לבין ההזמנות עם כיוון הכמות התוצאתי באופן שיטתי. לאחרונה, מצאנו כמה מערכות LC כי התערוכה oמעברים ריאקציונליים, שבהם שינוי אוריינטציה מולקולארית ספונטנית משתנה עם טמפרטורה. באופן עקרוני, ניתן לסווג מעברים אוריינטליים למעבר מסדר 2 , 4 או חצי-מסדר ראשון , 5 , 6 , 7 , 8 . הראשונה מלווה בהתחדשות מולקולארית בתפזורת על שינויים בטמפרטורה, בעוד שהאחרונה מדגימה רציפה. במאמר זה, אנו מתארים מעבר אוריינטליאלי בצורה מעין-מסדר ראשון בין מצבי P ו- V. זה מתקדם בשלב nematic יחיד (N) על ידי שינוי הטמפרטורה. פרטים יינתנו בתוצאות נציג ובדיון.

מאז שינוי אוריינטלי בתפזורת צריך להיות כפוף על ידי שינוי האוריינטציה מולקולרית פני השטח קצר- סדר הזמנות, ברור כי מערכת זו עשויה להציע תובנות כיצד וריאציה התרמודינמי של האוריינטציה מולקולרית פני השטח לטווח קצר orderings משפיע על הכיוון הגדול. במאמר זה, במטרה להבין את הנושאים הנ"ל, התמודדנו עם שלוש בעיות באמצעות ארבע שיטות משלימות ( כלומר, POM, DS, HR-DSC ו- GI-XRD): (1) איך נראה המעבר האוריינטלי? (2) האם ניתן לזהות את הטרנספורמציה האוריינטלית מבחינה תרמית? (3) מדוע וכיצד מתרחש המעבר האוריינטלי?

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

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

1. הכנת שכבת נוזל קריסטל שכבת של Perfluoropolymer על גבי מצעים זכוכית

  1. הכנת הפתרון perfluoropolymer
    1. הכן 1 מ"ל של פתרון perfluoropolymer על ידי המסת פתרון perfluoropolymer (9% פולימר% wt) ב ממס מסחרי ביחס של 1: 2; זה מבטיח סרטים אחידים 0.5-1 מיקרומטר עבה להיות ספין מצופה.
      הערה: נא עיין רשימת החומרים עבור הפתרון ממס בשימוש.
  2. ציפוי של perfluoropolymer על גבי מצעים זכוכית נקי
    1. לשטוף את מצעי הזכוכית (גודל טיפוסי: 1 ס"מ x 1 ס"מ) על ידי sonication ב 38 או 42 קילוהרץ ב אבקת אלקליין. שוב ושוב לשטוף אותם עם מים מזוקקים. בדרך כלל, לשטוף יותר מ 10 פעמים, עם 5 דקות של sonication בכל פעם.
    2. נושא מצעים UV-O 3 מנקה במשך 10 דקות.
    3. לטפטף 20 μL של הפתרון משלב 1.1 על גבי זכוכית זכוכית נקיTes. מיד ספין מעיל הפתרון ב 3,500 סל"ד וטמפרטורת החדר עבור 70 שניות. אופים את הסרט ב 80 מעלות צלזיוס למשך 60 דקות כדי להסיר ממס ב 200 מעלות צלזיוס למשך 60 דקות לריפוי.

2. הכנת תאים LC

  1. דבק שני מצעים זכוכית מצופה בסרט יחד באמצעות שרף צילום לריפוי מנורת LED עם אורך גל של 365 ננומטר (1.1 W / cm 2 ). התאם את עובי הפער בין שני מצעים לתוך בטווח של 2-100 מיקרומטר באמצעות מיקרומטר בגודל חלקיקי זכוכית או פוליאתילן סרטים naphthalate.
  2. להציג חומר LC, 4'-בוטיל -4-heptyl-bicyclohexyl-4-carbonitrile (CCN47, 0.2-10 μL) 9 לתאי LC מוכן באמצעות מרית תחת נימי כוח בטמפרטורה גבוהה יותר מאשר הנוזל איזוטרופיים (I) (N) טמפרטורת המעבר בשלב.
    הערה: CCN47 יש anisotropy דיאלקטרי שלילי, ואת רצף פאזה הוא בוכה 298.6 K SMA 301.3 KN 331.3 KI, שבו בכי ו SmA לעמוד קריסטל ו smectic שלבים. אל תציג את CCN47 בשלב N או בשלב SMA, שכן יישור זרימה המושרה יקודם.

3. אפיון לדוגמה

  1. תצפית מרקם על ידי מיקרוסקופ אופטי מקטב (POM) 10
    1. שים לב לתאי LC תחת POM עם עדשות אובייקטיביות 4-100X בשילוב עם שלב חם לשלוט על טמפרטורת המדגם עם דיוק ± 0.1 K. הקלט את המרקמים ביותר מ 5 מסגרות, במרווחים אפילו לכל קלווין. השתמש במצלמת צבע דיגיטלית ברצף, הן על קירור וחימום בטווח של 291-343 ק.
  2. דיאלקטרי ספקטרוסקופיה (DS) 11
    1. הכן תאים LC, עם אלקטרודות איטו - אשר יכול להיות מרובע או צורה עגולה ניתן לרכוש מסחרית - על שני מצעים. הלחמה חוט להוביל לכל מצע.
      הערה: עיין ברשימת החומרים עבור המצעים בהם נעשה שימוש.
    2. למדוד את הקיבול או קבוע דיאלקטרי של תאים LC, בדיוק כפי המשמש POM, באמצעות עכבה מסחרי / Analyzer שלב רווח. ודא כי מצב הדגימות הוא equilibrated לפני כל מדידה. למדוד את התלות בזמן של קיבול או קבוע דיאלקטרי של תאים LC ידי מדידת הקיבול של תאי LC באופן ידני כל 5 דקות.
    3. הפעל את המדידה DS רק אם הקיבול או קבוע דיאלקטרי של תאים LC הופך תלוי זמן.
  3. רזולוציית קלוריות גבוהה למדידת רזולוציה גבוהה (HR-DSC) 12
    1. שים את התאים LC לתוך מתוצרת בית HR-DSC להיבדק, בדיוק כמו POM ( לעולם לא להשתמש DSC מחבתות). עיין ב - Reference 12 כדי לעצב ולבנות HR-DSC וללמוד כיצד להשתמש בו. בצע מדידות עם שיעורי סריקה של 0.05-0.10 K / min כדי לשפר את הטמפרטורה המינימלית פותר פאוEr.
  4. אירוע רעייה עקיפה של קרני רנטגן (GI-XRD) 13
    1. שים את תא LC (משמש POM או DSC) או מדגם עם טיפה μL 2 עד 5 של CCN47 על מצע מצופה על המדגם GI-XRD מדגם, אשר צריך להיות מצויד בקר טמפרטורה.
    2. לאזן את המדגם במשך יותר מ 10 דקות בטמפרטורות הרצוי בטווח של 291-343 K, הן על קירור וחימום.
    3. השתמש בקרני רנטגן של האירוע על המדגם, עם נקודת זווית דקה סביב 0.05-0.10 °, כדי לחלץ מידע על פני השטח על אוריינטציה מולקולרית / הזמנות / מבנים. סווינג את זווית האירוע של קרן רנטגן כדי למצוא את זווית האירוע האופטימלי שבו כוח של עקיפה הוא החזק ביותר. קח את המדידות בזווית האירוע האופטימלית.
      הערה: יש לזכור כי GI-XRD מאפשר לבחון תכונות מוזרות בין-ממדיות בקנה מידה ננומטרי, ובכך למקסם את האות מ lAyers תוך מזעור האות מן בתפזורת. שים לב שגיאומטריות XRD רגילות, מלבד GI-XRD, אינן שיטות רגישות לאדמה, שכן בקרן הרנטגן יש עומק חדירה גדול לחומרים.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

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

תמונות POM, נתוני DS, נתוני HR-DSC ודפוסי GI-XRD נאספו במהלך שינויי טמפרטורה, במיוחד בקרבת המעבר האוריינטליאלי הן בקירור והן בחימום.

איור 1 מייצג את האבולוציה של המרקם שנעשו על ידי מדידות POM ו- DS במהלך תצפית POM של המעבר האוריינטליאלי ממצב P (V) למצב הכיוון V (P) במהלך קירור (חימום). תהליך הרהור מחדש במהלך המעבר האור...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

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

התמונות 10x POM שצולמו באמצעות תא 5 L מיקרומטר LC ( תרשימים 1a ו b ) מראים בבירור כי מצב אוריינטציה של מולקולות LC בתפזורת מעביר בין P ו- V אוריינטציות על וריאציה טמפרטורה בצורה מסודרת. זה מסומן על ידי נוקלאציה התחום ותהליכי הצמיחה, עם כיוון חדש שונה מן האוריינטציה הראשונית על ידי 90 °. הטמפרטורות המעבר על קירור וחימום הם 321.5 K ו 325.3 K, בהתאמה. מאז CCN47 יש birefringence של ~ 0.02 9 , את הנראות של המרקם Schlieren הוא טו...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

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

למחברים אין מה לחשוף.

תודות

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

עבודה זו נתמכה על ידי JSPS KAKENHI מענק מספר 16H06037. אנו מודים בכבוד רב ד"ר יוג'י סאסאקי בהוקאידו האוניברסיטה לעזרה טכנית עבור HR-DSC.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
CYTOPאסאהי זכוכית ושות 'בע"מממס CTX-809A
עבור CYTOPAsahi Glass Co. Ltd.CT-180 סול.
חומר ניקוי אלקלייןMerck KGaAExtran MA01
NOA61Norland Products, Inc.#37-322ניתן לרכישה מ-Edmund Optics
AL1254JSR Corporationחומר יישור מישורי בתאים מתוצרת עצמית
4'-butyl-4-heptyl-bicyclohexyl-4-carbonitrileNematel GmbH & Co. KG
מנקה UV-O3Technovision Inc.UV-208
מערכת שלב חםMettler ToledoHS82
ראש מצלמה צבעונית בחדות גבוההNikonDS-Fi1
מנתח עכבה/פאזה רווחSolartron אנליטי1260
מצע מצופה תחמוצת בדיל אינדיום (ITO)GEOMATEC Co. Ltd.בהתאמה אישית
בהתאמה אישית

מקורות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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).
  4. Senyuk, B., et al. Surface alignment, anchoring transitions, optical properties, and topological defects in the nematic phase of thermotropic bent-core liquid crystal A131. Phys Rev E. 82 (4 Pt 1), 041711(2010).
  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).
  7. Aya, S., et al. Stepwise heat-capacity change at an orientation transition in liquid crystals. Phys. Rev. E. 86 (2), 022512(2014).
  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).
  10. Dierking, I. Textures of Liquid Crystals. , Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Weinheim, FRG. (2003).
  11. Perkowski, P., et al. Technical aspects of dielectric spectroscopy measurements of liquid crystals. Opto-Electronics Review. 16 (3), 271-276 (2008).
  12. Inaba, H. Nano-watt stabilized DSC and ITS applications. J Therm Anal Calorim. 79 (3), 605-613 (2005).
  13. Leveiller, F., Boehm, C., Jacquemain, D. Two-dimensional crystal structure of cadmium arachidate studied by synchrotron X-ray diffraction and reflectivity. Langmuir. 10 (3), 819-829 (1994).
  14. de Gennes, P. G., Prost, J. The Physics of Liquid Crystals (Second Edition). , Oxford University Press. (1993).
  15. Aya, S., et al. Critical Behavior in an Electric-Field-Induced Anchoring Transition in a Liquid Crystal. Phys. Rev. E. 86 (1 Pt 1), 10701(2012).
  16. Avrami, M. Kinetics of Phase Change. I General Theory. J. Chem. Phys. 7, 1103-1112 (1939).
  17. Avrami, M. Kinetics of Phase Change. II Transformation-Time Relations for Random Distribution of Nuclei. J. Chem. Phys. 8 (2), 212-224 (1939).
  18. Avrami, M. Granulation Phase Change, and Microstructure Kinetics of Phase Change. III. J. Chem. Phys. 9, 177-184 (1941).
  19. Sasaki, Y., et al. Distinctive Thermal Behavior and Nanoscale Phase Separation in the Heterogeneous Liquid- Crystal B4 Matrix of Bent-Core Molecules. Phys. Rev. Lett. 107 (23), 237802(2011).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

XA

מאמרים קשורים