방법 논문

계면 습윤지의 열역학적 성장에 의해 촉발 된 액정의 방향 전환

DOI:

10.3791/55729

⸱

2017년 5월 15일

 , 
1RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS)

이 논문에서

요약

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여기서는 온도에 따라 액정의 방향 전환을 트리거하는 프로토콜을 제시합니다. 전이 과정과 상세한 이행 진화를 관찰하기 위해 표본을 준비하는 방법론을 설명합니다.

초록

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액정 (LC) 물리 화학에서, 표면 근처의 분자는 벌크 배향을 제어하는데 큰 역할을한다. 지금까지, 주로 LC 디스플레이에서 원하는 분자 배향 상태를 달성하기 위해, LC의 "정적"표면 특성, 소위 표면 앵커링 (surface anchoring)이 집중적으로 연구되었다. 일반적으로 마찰이나 특정 배향막 처리와 같은 특정 표면 처리로 LC의 초기 배향이 "고정"되면 온도에 따라 거의 변하지 않습니다. 여기서, 우리는 온도 변화에 대한 방향 전환을 나타내는 시스템을 제시하는데, 이는 컨센서스와 충돌한다. 전환 직후 벌크 LC 분자는 고온에서 평면 (P) 배향과 저온에서 1 차 과도기 방식으로 수직 (V) 배향 사이에서 90 °의 방향 회전을 경험합니다. 우리는 편광 광학 현미경으로 열역학적 표면 고정 거동을 추적했다 (POM), 유전 분광법 (DS), 고분해능 시차 주사 열량계 (HR-DSC) 및 그레이 징 입사 X- 선 회절 (GI-XRD)에 대한 연구를 수행했으며, 표면 전이 습윤 시트는 벌크의 P 배향에 국부적으로 V 배향을 부과한다. 이 풍경은 많은 LC 시스템에서 평형 벌크 배향이 표면 국부 배향에 어떻게 영향을 받는지를 설명하는 일반적인 링크를 제공합니다. 우리의 특성화에서, POM과 DS는 LC 분자의 방향의 공간적 분포에 대한 정보를 제공함으로써 유리하다. HR-DSC는 변환에 대한 정확한 열역학적 정보에 대한 정보를 제공합니다.이 정보는 제한된 분해능으로 인해 기존 DSC 장비로 해결할 수 없습니다. GI-XRD는 표면 특유의 분자 배향 및 단거리 정렬에 대한 정보를 제공합니다. 이 논문의 목적은 transi를 보여주는 샘플을 준비하기위한 프로토콜을 제시하는 것이다.벌크와 표면 모두에서 열역학적 구조 변화가 위에서 언급 한 방법을 통해 어떻게 분석 될 수 있는지를 보여줄 수있다.

서론

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최근 몇 년 동안, 외부 자극에 반응하는 표면 분자의 동적 인 분자 구조 및 구조가 LC 상태에서 물질의 벌크 배향에 어떻게 영향을 줄 수 있는지에 대한 관심이 증가 해왔다. 한 가지 예는 LC 1 , 2 의 새로운 응용으로서 LC 바이오 센서를 사용하는 것이다. 얼마나 많은 표적 생물 종이 검출되는지를 정량화하기 위해 표적 분자와 접촉하는 계면 LC가 어떻게 변화하고 진화 하는지를 알아내는 동시에 그들이 성질을 대량으로 옮기거나 번역하는 방법을 알아내는 것이 중요합니다.

모델을 사용하여 이러한 해답을 추구하면서 표면 분자 방향 및 단거리 정렬이 열역학적으로 다른 시스템으로 시작했습니다. 이 시스템을 사용하여 표면 방향 및 정렬 순서의 변경 사항을 결과적으로 대량의 방향과 체계적으로 연관시킬 수 있습니다. 최근에 우리는 o를 나타내는 몇 가지 LC 시스템을 발견했습니다.온도에 따라 자발적인 벌크 분자 배향이 변화하는 리서치 천이. 원칙적으로 방향 전환은 준 2 차 3 , 4 또는 준 1 차 천이 5 , 6 , 7 , 8 로 분류 할 수 있습니다. 전자는 온도 변화시 연속적인 분자 재배 향을 동반하지만, 후자는 불연속적인 재연성을 나타낸다. 이 기사에서는 P와 V 방향 상태 사이에서 준 1 차 방식으로 방향 전환을 설명합니다. 그것은 온도를 변화시킴으로써 단일 네마 틱 (N) 상으로 진행한다. 자세한 내용은 대표 결과 및 토론에서 제공됩니다.

벌크의 방향 변화는 표면 분자 방향의 변화와 짧은이 시스템이 표면 분자 배향과 단거리 정렬의 열역학적 변화가 벌크 배향에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 통찰력을 잠재적으로 제공 할 수 있음은 자명하다. 이 기사에서는 위에서 언급 한 문제를 이해하기 위해 POM, DS, HR-DSC 및 GI-XRD와 같은 4 가지 보완 방법을 사용하여 세 가지 문제를 해결했습니다. (1) 방향 전환은 어떻게 생겼습니까? (2) 방향 전환이 열적으로 감지 가능한가? (3) 오리엔테이션 전환은 왜 그리고 어떻게 발생합니까?

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프로토콜

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1. 유리 기판 상에 퍼플 루오로 중합체의 액정 배향 층의 제조

  1. 퍼플 루오로 중합체 용액의 제조
    1. 퍼플 루오로 중합체 용액 (9 중량 % 중합체)을 1 : 2의 비율로 시판용 용매에 용해시켜 퍼플 루오로 중합체 용액 1 mL를 제조하고; 0.5-1μm 두께의 균일 한 막이 스핀 코팅 될 수 있습니다.
      참고 : 사용 된 용액 및 솔벤트의 재료 목록을 참조하십시오.
  2. 깨끗한 유리 기판에 퍼플 루오로 중합체 코팅
    1. 알칼리성 세제로 38 또는 42 kHz에서 초음파 처리하여 유리 기판 (일반적인 크기 : 1 cm x 1 cm)을 씻으십시오. 증류수로 반복해서 헹구십시오. 일반적으로, 매회 5 번 초음파 세척으로 10 회 이상 헹구십시오.
    2. UV-O 3 세정제로 10 분간 기판을 채 웁니다.
    3. 단계 1.1의 용액 20 μL를 세척 된 유리 기질에 흘려 라.테. 즉시 용액을 3,500 rpm으로 실온에서 70 초 동안 스핀 코트하십시오. 80 ° C에서 60 분 동안 필름을 베이킹하여 용제를 제거하고 200 ° C에서 60 분 동안 경화시킵니다.

2. 액정 셀 준비

  1. 광경 화성 수지와 파장 365 nm (1.1 W / cm 2 )의 LED 램프를 사용하여 필름으로 코팅 된 두 개의 유리 기판을 접착하십시오. 마이크로 미터 크기의 유리 입자 또는 폴리에틸렌 나 프탈레이트 필름을 사용하여 두 기판 사이의 간격을 2 ~ 100 μm 범위 내로 조정하십시오.
  2. 등방성 액체 (I)보다 높은 온도의 모세관 력으로 주걱을 사용하여 준비된 LC 셀에 LC 물질, 4'- 부틸 -4- 헵틸 - 비 시클로 헥실 -4- 카보 니트릴 (CCN47; 0.2-10 μL) - 네마 틱 (N) 상 전이 온도.
    참고 : CCN47은 음의 유전율 이방성을 가지며 위상 시퀀스는 Cry 298.6 K SmA 301.3 KN 331.3 KI, 여기서 Cry 및 SmA는 결정 및 스 멕틱 A 상을 나타낸다. flow-induced alignment가 촉진되기 때문에 CCN47을 N 기 또는 SmA기에 도입하지 마십시오.

3. 샘플 특성화

  1. 편광 광학 현미경 (POM)에 의한 조직 관찰 10
    1. ± 0.1-K 정확도로 샘플 온도를 제어하는 ​​핫 스테이지와 함께 4-100X 대물 렌즈로 POM에서 LC 셀을 관측하십시오. 켈빈 당 균등 한 간격으로 5 프레임 이상의 텍스처를 기록하십시오. 냉각 및 가열시 291-343 K의 범위에서 순차적 으로 디지털 컬러 카메라를 사용하십시오.
  2. 유전체 분광학 (DS) 11
    1. 두 기판에서 ITO 전극 (정사각형 또는 원형 모양을 가질 수 있고 상업적으로 구입할 수 있음)을 사용하여 LC 셀을 준비합니다. 리드선을 각 기판에 납땜하십시오.
      참고 : 사용 된 인쇄물의 재료 목록을 참조하십시오.
    2. 상용 임피던스 / 이득 위상 분석기를 사용하여 POM에 사용 된 것과 똑같은 LC 셀의 커패시턴스 또는 유전 상수를 측정하십시오. 각 측정 전에 시료의 상태가 평형인지 확인하십시오. 매 5 분마다 LC 셀의 정전 용량을 수동으로 측정하여 LC 셀의 정전 용량 또는 유전 상수의 시간 의존성을 측정합니다.
    3. LC 셀의 커패시턴스 또는 유전 상수가 비 시간 종속적 인 경우에만 DS 측정을 시작하십시오.
  3. 고해상도 시차 주사 열량계 (HR-DSC) 12
    1. LC 셀을 집에서 만든 HR-DSC에 넣고 정확하게 POM (DSC 팬을 사용 하지 마십시오) 에서처럼 검사합니다. HR-DSC를 설계 및 구축하고 사용 방법을 배우려면 참조 12를 참조하십시오. 최소 온도 분해능을 높이기 위해 0.05-0.10 K / min의 스캔 속도로 측정을 수행하십시오.어.
  4. 방목 입사 X 선 회절 (GI-XRD) 13
    1. 온도 컨트롤러가 장착 된 GI-XRD 샘플 스테이지의 코팅 된 기판 위에 CCN47의 2 ~ 5 μL 액 적이 들어있는 샘플 또는 LC 셀 (POM 또는 DSC에 사용됨)을 넣으십시오.
    2. 냉각 및 가열시 291-343 K 범위의 원하는 온도에서 10 분 이상 샘플을 평형시킵니다.
    3. 분자 방향 및 배열 / 구조에 대한 표면 정보를 추출하기 위해 0.05-0.10 ° 정도의 작은 입사각으로 샘플에 입사 X- 선 빔을 사용하십시오. 회절 강도가 가장 강한 최적의 입사각을 찾기 위해 X 선 광선의 입사각을 스윙합니다. 최적의 입사각으로 측정하십시오.
      참고 : GI-XRD를 사용하면 나노 미터 스케일에서 계면 특이성을 조사 할 수 있으므로 얇은 층에서 신호를 최대화 할 수 있습니다벌크에서 신호를 최소화하면서. GI-XRD 이외의 일반 XRD 구조는 X 선 방사 빔이 재료에 대한 깊이가 매우 깊기 때문에 표면에 민감하지 않습니다.

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결과

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POM 이미지, DS 데이터, HR-DSC 데이터 및 GI-XRD 패턴은 온도 변화 동안, 특히 냉각 및 가열시의 방향 전환 부근에서 수집되었습니다.

그림 1 은 냉각 (가열) 중에 P (V) 방향에서 V (P) 방향 상태로의 방향 전환의 POM 관측 중에 POM 및 DS 측정에 의해 만들어진 텍스처의 진화를 나타냅니다. POM 관측 ( 그림 1a )에 기반한 방향 전환 동안 재배 향 과정이 표시됩니다. 냉각시, 벌크의 P 방향은 IN 전이 온도 바로 아래에 있으며, 두 개 (대다수의 경우) 및 4- 브러시 Schlieren 텍스처의 모양으로 구분됩니다. 두 브러시 Schlieren (토폴로지 강도가 s = ± 1 / 2 인 디스크립션)은 resu토폴로지...

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토론

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5μm LC 셀 ( 그림 1a 및 b )을 사용하여 촬영 한 10x POM 이미지는 벌크 LC 분자의 방향 상태가 1 차 방식으로 온도 변화에 따라 P 및 V 방향 사이에서 이동 함을 명확하게 보여줍니다. 이것은 도메인 핵 생성 및 성장 과정에 의해 표시되며 새로운 방향은 초기 방향과 90 ° 다릅니다. 냉각 및 가열시의 전이 온도는 각각 321.5 K 및 325.3 K입니다. CCN47이 ~ 0.02 9 의 복굴절을 가지므로, LC 셀의 두께가 5-20 μm의 범위에있을 때 Schlieren 텍스처의 가시성이 좋습니다. 두께가이 범위보다 작 으면, Schlieren 텍스쳐의 투과율이 낮아지기 때문에, 시인성이 악화된다. 한편, 두께가이 범위보다 큰 경우, 간섭 및 산란은 POM 이미지에서 수차를 초래하고, vi신뢰성 및 효과적인 광학 해상도를 제공합니다.

벌크의 정상 표면...

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공개 사항

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저자는 공개 할 것이 없습니다.

감사의 글

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이 작품은 학술 연구원 교부금 번호 16H06037에 의해 지원되었다. 홋카이도 대학의 사사키 유지 사장에게 HR-DSC에 대한 기술 지원에 진심으로 감사드립니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
CYTOP아사히 유리 주식회사CTX-809A
Asahi Glass Co., Ltd.용 용제CT-180 솔.
알칼리성 세제Merck KGaAExtran MA01
NOA61Norland Products, Inc.#37-322Edmund Optics
AL1254JSR Corporation자체 제작 셀
4'-부틸-4-헵틸-바이사이클로헥실-4-카보니트릴Nematel GmbH & Co. KG맞춤형
UV-O3 cleanerTechnovision Inc.UV-208
핫 스테이지 시스템Mettler ToledoHS82
고화질 컬러 카메라 헤드NikonDS-Fi1
임피던스/이득 위상 분석기Solartron Analytical1260
인듐 주석 산화물(ITO) 코팅 기판GEOMATEC Co., Ltd.주문 제작
CYTOP 에서 구매 가능

참고문헌

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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).
  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).

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