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Articolo metodologico

Commutazione fotorheologica ad alto contrasto e veloce di un cristallo liquido nematico Twist-Bend

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DOI:

10.3791/60433

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31 ottobre 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

In questo articolo

Sommario

Questo protocollo dimostra la preparazione di un materiale fotoreologico che presenta una fase solida, varie fasi cristalline liquide e una fase liquida isotropica aumentando la temperatura. Qui sono presentati metodi per misurare la relazione struttura-viscoelasticità del materiale.

Abstract

I materiali viscoelastici intelligenti che rispondono a stimoli specifici sono una delle classi più interessanti di materiali importanti per le tecnologie future, come le tecnologie di adesione commutabili on-demand, gli attuatori, le frizioni molecolari e la massa nano-microscopica Trasportatori. Recentemente si è scoperto che attraverso una speciale transizione solido-liquido, le proprietà reologiche possono presentare cambiamenti significativi, fornendo così adeguati materiali viscoelastici intelligenti. Tuttavia, la progettazione di materiali con tale proprietà è complessa e i tempi di commutazione avanti e indietro sono in genere lunghi. Pertanto, è importante esplorare nuovi meccanismi di lavoro per realizzare transizioni di liquidi solidi, ridurre il tempo di commutazione e migliorare il contrasto delle proprietà reologiche durante la commutazione. In questo caso, si osserva una transizione di fase cristallo-liquido indotta dalla luce, caratterizzata da microscopia a luce polarizzante (POM), fotorheometria, calorimetria di scansione fotodifferenziale (foto-DSC) e diffrazione a raggi X (XRD). La transizione di fase cristallo-liquido indotta dalla luce presenta caratteristiche chiave come (1) commutazione rapida delle fasi cristallo-liquido per reazioni in avanti e indietro e (2) un elevato rapporto di contrasto della viscoelasticità. Nella caratterizzazione, POM è vantaggioso nell'offrire informazioni sulla distribuzione spaziale degli orientamenti delle molecole LC, determinare il tipo di fasi cristalline liquide che appaiono nel materiale e studiando l'orientamento dei LC. permette di misurazione delle proprietà reologiche di un materiale sotto stimoli leggeri e può rivelare le proprietà di commutazione fotorheologica dei materiali. Il Photo-DSC è una tecnica per studiare le informazioni termodinamiche dei materiali al buio e sotto l'irradiazione leggera. Infine, XRD permette di studiare le strutture microscopiche dei materiali. L'obiettivo di questo articolo è quello di presentare chiaramente come preparare e misurare le proprietà discusse di un materiale fotorheologico.

Introduzione

I materiali meccanici intelligenti con la capacità di cambiare le loro proprietà viscoelastiche in risposta alla variazione ambientale hanno suscitato un enorme interesse tra i ricercatori. La commutabilità è considerata il fattore materiale più importante, che offre robustezza di risposta meccanica ripetitiva negli organismi viventi. Ad oggi, i materiali switchable artificiali con funzioni versatili sono stati progettati utilizzando la materia mollia (cioè idrogel fotoresriusciti1,2,3, polimeri4,5, 6,7,8,9,10,11, cristalli liquidi [LC]9,10,11, 12,13,14,15,16,17, pH-responsive micelle18,19,20 ,21,22e surfactants23). Tuttavia, questi materiali soffrono di più di uno dei seguenti problemi: mancanza di reversibilità, basso rapporto di contrasto di commutazione di viscoelasticità, bassa adattabilità e velocità di commutazione lenta. Nei materiali convenzionali esiste un compromesso tra il rapporto di contrasto di commutazione della viscoelasticità e la velocità di commutazione; pertanto, la progettazione di materiali che coprano tutti questi criteri con prestazioni elevate è difficile. Realizzare materiali con la suddetta onnicapacità, è essenziale selezionare o progettare molecole che portano nature emergenti di alta fluidità (proprietà viscosa) e rigidità (proprietà elastica).

I cristalli liquidi sono sistemi ideali con un numero potenzialmente elevato di fasi cristalline e solide che possono essere sintonizzate mediante progettazione molecolare. Ciò consente strutture autoassemblate a diverse scale di lunghezza in particolari fasi LC. Ad esempio, mentre i LC nematici ad alta simmetria (NLC) presentano una bassa viscosità ed elasticità a causa del loro ordine spaziale a corto raggio, colonnare a bassa simmetria o LC mestotici mostrano un'elevata viscosità ed elasticità a causa della lunga gamma unidimensionale e bidimensionale periodisi. Si prevede che se i materiali LC possono essere commutati tra due fasi con grandi differenze nelle loro proprietà viscoelastiche, allora un materiale intelligente viscoelastico con alte prestazioni può essere raggiunto. Alcuni esempi sono stati segnalati9,10,11,12,13,14,15.

Questo articolo dimostra la preparazione di un materiale LC fotorheologico con una sequenza di fase di isotropico (I)-nematic (N)-twist-bend nematic (TB)24-crystal (Cry) al momento del raffreddamento (e viceversa al momento del riscaldamento), che commutazione viscoelastica in risposta alla luce. Qui sono presentati i metodi per misurare la viscoelasticità e un'illustrazione della relazione microscopica struttura-viscoelasticità. I dettagli sono descritti nelle sezioni relative ai risultati rappresentativi e alla discussione.

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Protocollo

1. Preparazione delle superfici strofinate per l'allineamento planare delle molecole LC

  1. Preparare substrati di vetro puliti.
    1. Substrati di vetro tagliati utilizzando una taglierina di vetro a base di diamanti (Table of Materials) in piccoli pezzi quadrati con dimensioni medie di 1 cm x 1 cm. Lavarli per sonicazione a 38 kHz o 42 kHz in un detersivo alcalino ( Tabella deimateriali, diluito in acqua in un detergente:rapporto volume acqua di 1:3) e risciacquare con acqua distillata ripetutamente (tipicamente, più di 10 volte con 5 min di sonicazione per ogni risciacquo).
    2. Sottoporre i substrati all'ozono ultravioletto (UV-O3) per più di 10 min.
  2. Strato di allineamento planare del rivestimento su substrati di vetro puliti.
    1. Drip 20 l di 1 mL di una soluzione di allineamento planare poliimide(Tabella dei materiali, utilizzata così com'è) con una pipetta sui substrati di vetro puliti. Immediatamente girare la soluzione, utilizzando un rivestimento di selezione (Table of Materials) a 3.000 rpm e temperatura ambiente (RT) per 70 s.
      NOTA: lo spessore tipico del livello di allineamento è di circa 20 nm.
    2. Cuocere i substrati di vetro rivestiti a 80 gradi centigradi per 60 min per rimuovere il solvente e a 180 gradi centigradi per la stagionatura di >60 min. Strofinare i substrati utilizzando una macchina di sfregamento rayon-cloth (Tabella dei materiali) con i seguenti parametri: velocità di rotazione 300 rpm, velocità della piastra di 20 mm / s, e impressione di 0,3 mm per realizzare l'allineamento uniaxiale dei materiali LC.

2. Preparazione delle cellule LC

  1. Posizionare un substrato di vetro rivestito con lo strato di allineamento su un altro substrato, con gli strati di allineamento faccia a faccia, e assicurarsi che siano sovrapposti all'80% per formare una cella.
    NOTA: Le superfici non sovrapposte del 20% devono essere utilizzate per introdurre materiali LC nella cella.
  2. Posizionate 100 l di un adesivo fotoreattivo (Tabella dei materiali) e 0,1 mg di particelle di vetro di dimensioni micrometriche (diametro : 5 m) su un substrato di vetro pulito e mescolatele manualmente utilizzando la punta di una graffetta. Spostare il materiale misto in quattro angoli della cella per regolare il divario cellulare e illuminare la cella utilizzando una lampada ad arco corto a vapore di mercurio a bassa pressione (Tabella dei materiali) con una lunghezza d'onda di 365 nm (1,1 W/cm2). Posizionare la cella sotto la lampada a LED ad una distanza di 1 cm per 5 min.
  3. Dopo l'illuminazione, posizionare la cella su uno stadio caldo e impostare la temperatura di destinazione dello stage per riscaldare la cella a una temperatura superiore alla transizione di fase del liquido isotropico (I)-nematica (N) (tipicamente a 160 gradi centigradi). Trasferire il materiale LC (1-[4-butoxyazobenzene-4'-yloxy]-6-[4-cianobiphenyl-4' yl]hexane; CB6OABOBu; su una superficie aperta della cellula e spingere i materiali verso l'ingresso della cella utilizzando una microspatola per ottenere il contatto tra il materiale LC e l'ingresso della cellula. Attendere che i materiali LC siano riempiti nella cella con la forza capillare.
    NOTA: CB6OABOBu ha una sequenza di fase: Cry 100.3 C TB 105.2 .C N 151.7 .C I sul riscaldamento e I 151,4 c N 104.5 C TB 83 C Cry sul raffreddamento. Non introdurre CB6OABOBu nella fase N o TB perché viene promosso l'allineamento indotto dal flusso.

3. Caratterizzazione delle texture polarizzando la microscopia ottica

  1. Osservare le cellule LC posizionate sullo stadio caldo per controllare la temperatura del campione (40-180 gradi centigradi) con una precisione di 0,1 K c al sottoporlo a un microscopio a luce polarizzante (POM, Table of Materials)utilizzando lenti obiettivo 4x-100x. Registra le texture utilizzando una fotocamera digitale in sequenza durante il raffreddamento e il riscaldamento.
  2. Utilizzare un epi-illuminatore UV (Tabella dei materiali) dotato del POM con una lunghezza d'onda di 365 nm (50 mW/cm2).

4. Misure fotorheologiche

  1. Preparare le misurazioni reologiche.
    1. Prima di posizionare qualsiasi campione sullo stage del reometro (Tabella dei materiali), eseguire la calibrazione dell'inerzia della geometria e la calibrazione dello spazio zero controllata da un software secondo le istruzioni del produttore per garantire l'accuratezza dello studio reologico . Pesare 250 mg del campione di polvere CB6OABOBu e caricarlo sulla piastra di quarzo di base del reometro.
      NOTA: Per lo studio attuale, viene utilizzata una piastra con un diametro di 50 mm.
    2. Impostare la temperatura della camera di campionamento su un valore superiore al punto di transizione della fase I-N (>160 gradi centigradi). Impostare un valore di spazio per l'avvicinamento della piastra di misura alla piastra di quarzo di base per eseguire il sandwich del campione (valore di spazio tipico utilizzato : 20 m). Tagliare il campione in eccesso (ad esempio, utilizzando salviette di carta) che si trova al di fuori dello spazio quando la piastra di misurazione si ferma alla posizione di taglio, che si trova 25 m sopra lo spazio mirato.
      NOTA: Non consentire l'introduzione della quantità eccessiva di CB6OABOBu nella camera campione, in quanto ciò rende le misurazioni imprecise.
  2. Eseguire misurazioni reologiche.
    1. Luce UV irradiata a 365 nm (1,100 mW/cm2), misurando la commutazione fotorheologica di CB6OABOBu utilizzando la lampada ad arco corto a vapore di mercurio ad alta pressione.
      NOTA: La luce sarà guidata da sotto il contenitore del campione attraverso la piastra di quarzo di base.
    2. Eseguire misurazioni in 1) modalità oscillatoria per l'estrazione di informazioni di ripristino dinamico del materiale e 2) modalità di rotazione costante per ottenere un'efficace viscosità rotazionale. Per le misurazioni in modalità rotazionale, applicare una sollecitazione di taglio costante di 13 Pa al campione per garantire che la misurazione venga effettuata nel regime newtoniano.
      NOTA: la selezione delle modalità viene eseguita da un software in base alle istruzioni del produttore.

5. Calorimetria di scansione foto-differenziale

  1. Pesare 10 mg di CB6OABOBu campione di polvere e caricarlo in una padella di calorimetria a scansione differenziale d'oro (DSC). Riscaldare il campione a 170 gradi centigradi nella fase isotropica e assicurarsi che non vi sia alcuna distribuzione del campione inomogenea nella padella DSC come osservato ad occhio nudo. Coprire la padella DSC con una piastra di quarzo.
  2. Eseguire misurazioni foto-DSC in base alle istruzioni del produttore (Tabella dei materiali). Misurare i dati DSC a una scansione di 10 gradi centigradi/min.
    NOTA: La macchina foto-DSC è dotata di un'intensità luminosa UV di 50 mW/cm2.

6. Caratterizzazione della diffrazione a raggi X

  1. Riscaldare il campione di polvere CB6OABOBu utilizzando lo stadio caldo a 170 gradi centigradi e aspirare il campione in un capillare XRD (diametro : 0,5 mm) con la forza capillare.
  2. Attaccare il capillare a un supporto campione dotato di un regolatore di temperatura. Impostare la temperatura della camera (60 gradi centigradi, 70 gradi centigradi, 80 gradi centigradi, 90 gradi centigradi, 100 gradi centigradi, 120 gradi centigradi, 130 gradi centigradi, 140 gradi centigradi, 150 gradi centigradi, 160 gradi centigradi e 170 gradi centigradi per ogni misurazione della diffrazione a raggi X).
  3. Irradiare il campione a raggi X e rilevare i raggi X diffracted da un rivelatore senza irradiazione UV e sotto un'intensità di luce UV di 10 mW/cm2 per 1 min e 10 min.
    NOTA: lo studio attuale è stato condotto nella trave RIKEN BL45XU. La sorgente luminosa era l'ondulatore in vuoto standard SPring-8. Per monocromaticizzare il fascio è stato utilizzato un monocromatico si a base di azoto liquido raffreddato ad azoto. La lunghezza d'onda era di 1.

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Risultati

Immagini POM, dati fotorheometrici, dati foto-DSC e profili di intensità XRD sono stati raccolti nel buio durante la variazione della temperatura e mentre brillano la luce UV. La figura 1a,b rappresenta la struttura di CB6OABOBu, con la sua sequenza di fase e le possibili conformazioni ottimizzate dal campo di forza MM2 nel programma di modellazione (ad esempio, ChemBio3D).

Quando CB6OABOBu è in stato trans, compaiono due stati conformazionali pla...

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Discussione

Come rivelato nella Figura 1, CB6OABOBu è un materiale foto-reattivo con sequenze di fase I, N, TB e Cry al momento del raffreddamento. Poiché l'ordinazione locale di queste fasi differisce in modo significativo, la commutazione foto-guidata delle proprietà reologiche dovrebbe mostrare un buon contrasto viscoso. Per indagare quantitativamente questo, sono state eseguite misurazioni foto-reologia.

In primo luogo, consideriamo i dati reologici misurati al buio

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Dichiarazioni

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Ringraziamenti

Questo lavoro è stato sostenuto dal progetto di ricerca bilaterale HAS-JSPS. Viene riconosciuto il sostegno finanziario delle sovvenzioni NKFIH PD 121019 e FK 125134.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
21-401-10AS ONEMicrospatula
AL1254JSRAgente di allineamento planare per cristalli liquidi
BX53PMicroscopio polarizzatore Olympuscon unità di trasmissione/epi-illuminazione
Strumenti Discovery DSC 25PTIAttrezzatura Photo-DSC
Tagliavetro PRO-1ASankyoA tagliavetro a base di diamante
HS82Mettler Toledostadio caldo
MCR502Anton PaarUn reometro commerciale
MRJ-100SEHCMacchina per sfregamento
Adesivo ottico Norland 65, 81Norland ProductsAderenze fotoreattive
OmniCure S2000Excelitas TechnologiesUna lampada commerciale ad arco corto a vapori di mercurio ad alta pressione. Massimo 70 mW/cm^2.
PILATUS 6MDectrisRivelatore ibrido per il conteggio dei fotoni per la protezione della diffrazione dei raggi X
TechnovisionDetergente all'ozono ultravioletto (UV-O3)
S1126 Matsunami Glass Substrato di vetro SC-158H EHC Spin coater SCAT-20X DKS Detergente alcalino SLUV-4 AS ONE Lampada ad arco corto a vapori di mercurio a bassa pressione UV-208

Riferimenti

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