Nuove tecniche per l'osservazione dinamica strutturale dei cristalli liquidi fotoresponsivi

Questo metodo può aiutare a risolvere un problema comune nella ricerca sui cristalli liquidi. Vale a dire che il picco di movimento molecolare durante la fotorisposta non può essere determinato con i metodi convenzionali. Il vantaggio principale di queste tecniche è che la struttura e la dinamica ultraveloce dei cristalli liquidi fotoeccitati sono ottenute sia dallo spettro IR differenziale che da modelli di diffrazione elettronica differenziale.

Dimostrerò la spettroscopia di vibrazione IR risolta nel tempo. Per preparare un campione in fase di soluzione per la spettroscopia vibrazionale IR risolta nel tempo, sciogliere 0,025 millimoli di pi-COT in 25 millilitri di diclorometano, per ottenere una soluzione di 1 millimole per litro. Per preparare un campione in fase a cristalli liquidi, coprire un substrato di fluoruro di calcio di 3 millimetri di spessore in polvere pi-COT.

Posizionare il substrato su una piastra calda e sciogliere la polvere a 100 gradi Celsius. Spegnere la piastra riscaldante e lasciare raffreddare il campione a temperatura ambiente. Dopo aver preparato il campione, accendere il laser al titanio-zaffiro e l'amplificatore di impulsi chirpato e lasciarli stabilizzare termicamente.

Impostare la durata dell'impulso su 120 femtosecondi, la frequenza di ripetizione su 500 Hertz e la fluenza incidente su 1 millijoule per centimetro quadrato. Controllare la potenza e la stabilità della pompa UV e degli impulsi della sonda nel medio infrarosso e riallineare i percorsi ottici secondo necessità. Raffreddare il rivelatore IR di mercurio-cadmio-tellurio con azoto liquido.

Posizionare lo spettrometro in linea con il percorso ottico e calibrare lo spettrometro. Quindi, montare un wafer di silicone di 1 millimetro di spessore sul supporto del campione come campione di prova. Impostare il ritardo della sonda della pompa su un valore positivo.

Ottimizza la sovrapposizione pompa-sonda regolando lo specchio che dirige il fascio della pompa verso il campione, per ottenere la massima intensità del segnale transitorio. Imposta una scansione, a partire da meno 100 picosecondi e terminando a 1000 picosecondi, con un tempo di passo di 5 picosecondi. Scansiona il campione di prova e identifica la posizione temporale in cui inizia a emergere il segnale transitorio o il tempo zero.

Quindi, se si utilizza un campione in fase di soluzione, montare una cella a flusso con finestre di fluoruro di bario nello strumento e iniziare a pompare il campione attraverso la cella a flusso. Se si utilizza un campione in fase a cristalli liquidi, montare il campione su un tavolino motorizzato per consentire il movimento continuo della posizione del punto laser sul campione, per ridurre al minimo i danni indotti dal laser. Confermare la posizione temporale zero del tempo con il campione e impostare gli orari di inizio, fine e passo.

Selezionare una directory per il file di dati ed eseguire il processo di acquisizione dei dati. Per prima cosa, mordenzare e pulire un wafer rivestito di nitruro di silicone, per ottenere un substrato con finestre in nitruro di silicone. Posizionare il substrato su un mandrino per centrifuga con le finestre in nitruro di silicone rivolte verso l'alto.

Rivestire il substrato con una soluzione di 10 milligrammi per millilitro di pi-COT in cloroformio. Posizionare il substrato rivestito di centrifuga su una piastra riscaldante e riscaldare la piastra riscaldante a 100 gradi Celsius per sciogliere il pi-COT. Spegnere la piastra riscaldante quando raggiunge i 100 gradi Celsius e lasciare raffreddare il campione in posizione, per ottenere una pellicola a cristalli liquidi pi-COT.

Per iniziare la misurazione, montare il campione sul portacampioni dello strumento. Posizionare il portacampioni nella camera a vuoto e chiudere la camera. Utilizzare una pompa rotativa per evacuare la camera a meno di 1000 pascal o 10 millibar.

Quindi, utilizzare una pompa turbomolecolare per evacuare la camera del cannone elettronico a circa 10 a meno 6 pascal. Quindi, accendi il laser al titanio-zaffiro e l'amplificatore di impulsi cinguettato e lasciali stabilizzare termicamente per un'ora. Impostare la frequenza di ripetizione su 500 hertz.

Accendi il refrigeratore della telecamera CCD e raffredda il dispositivo a 10 gradi Celsius. Quindi, accendere l'alimentazione elettrica e impostare la tensione a 75 kilovolt. Apri lo speciale software di sovrapposizione e imposta il tempo di esposizione su 50 millisecondi.

Per trovare la posizione del fascio di elettroni della sonda, impostare prima il tipo di avvio su z-overlap e fare clic su start. Al termine del processo, selezionare y-overlap e fare nuovamente clic su Avvia. Quindi, impostare il fascio di elettroni sulla posizione del foro stenopeico del supporto del campione e allineare il laser della pompa con la luce riflessa della pompa dal foro stenopeico.

Successivamente, passa al programma di diffrazione elettronica risolta nel tempo. Impostare il tipo di avvio su risolto nel tempo e l'influenza della pompa su 2 millijoule per centimetro quadrato. Fare clic su start per misurare la posizione zero del tempo in base a un materiale standard inorganico fissato sul supporto del campione.

Quindi, inserire la coppa di Faraday nel percorso del fascio di elettroni e misurare la fluenza con il picoamperometro. Ruotare il filtro a densità neutra per regolare la fluenza del fascio di elettroni a 3 picoampere. Regolare la fluenza dell'impulso della pompa a 1,67 milliwatt ruotando la piastra d'onda sulla linea del raggio della pompa.

Quindi, nel software di diffrazione elettronica risolta nel tempo, spostarsi nella posizione del campione. Impostare il tempo di esposizione della telecamera CCD su 1 secondo. Impostare il tipo di avvio su singolo e fare clic su Avvia per ottenere un'immagine di diffrazione elettronica statica.

Quindi, accendi l'elemento Peltier della fotocamera CCD e raffredda il dispositivo a meno 20 gradi Celsius. Una volta che la telecamera CCD si è raffreddata, impostare il numero di modelli da raccogliere ad ogni passaggio e il numero di passaggi per le misurazioni risolte nel tempo. Impostare il tipo di avvio su risolto nel tempo e fare clic su Avvia per raccogliere le immagini di diffrazione elettronica risolte nel tempo.

Al termine dell'esperimento, spegnere l'alimentatore per l'accelerazione degli elettroni. Raccogli l'immagine risolta nel tempo allo stesso modo per ottenere uno sfondo. Lo spettro vibrazionale IR differenziale di un film sottile a cristalli liquidi basato su pi-COT presentava picchi corrispondenti alle modalità di allungamento degli anelli COT e tiazolico e dei bifenil moyades, che sono fortemente attivi IR nella forma piatta T1 di pi-COT.

L'evoluzione dipendente dal tempo dell'intensità di picco ha avuto un numero d'onda di 1338 centimetri reciproci. È coerente con la sella al cambio di conferma piatto entro 2 picosecondi. Seguito da un rilassamento alla forma iniziale della sella in 10-20 picosecondi per singole molecole o 150 picosecondi per molecole impilate.

I picchi di diffrazione elettronica dai moyades fotoresponsivi sono stati estratti dal pattern lungo dominato da lunghe catene di carbonio, sottraendo il pattern di diffrazione iniziale da un pattern ottenuto 500 picosecondi dopo la radiazione UV. I picchi positivi e negativi indicavano la formazione e la perdita, rispettivamente, delle caratteristiche strutturali entro 500 picosecondi dopo l'irradiazione. La formazione di una nuova struttura ordinata è iniziata circa 200 picosecondi dopo la fotoeccitazione, coerentemente con il rilassamento alla forma iniziale a sella nelle molecole impilate.

La perdita dell'ordine di impilamento pi-pi su una scala temporale di 300 picosecondi, è stata attribuita a un piccolo numero di conformeri piatti, con tempi di vita da 300 a 1000 picosecondi, che si attorcigliano per ridurre al minimo l'impedimento sterico. Abbiamo avuto l'idea di questo metodo per la prima volta quando abbiamo discusso dei cristalli liquidi, che di solito non vengono esaminati dai tempi di diffrazione perché non forniscono buoni modelli di diffrazione elettronica. La nostra metodologia consente di identificare i cambiamenti nei modelli di diffrazione dei cristalli liquidi, consentendo l'accesso a importanti informazioni sulla struttura e alla dinamica delle molecole ultraveloci.

Una volta padroneggiate, queste tecniche possono essere eseguite in mezza giornata se eseguite correttamente. Queste tecniche possono potenzialmente essere utilizzate per rispondere a ulteriori domande sulla struttura e la dinamica ultraveloce di biomateriali più complessi.