Methodenartikel

Oriëntatie Transitie In Een Vloeibaar Kristal Uitgelijnd Door De Thermodynamische Groei Van Interfacial Wetting Sheets

DOI:

10.3791/55729

⸱

15 mei 2017

 , 
1RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS)

In dit artikel

Samenvatting

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

Hier presenteren wij een protocol om een ​​oriënterende overgang van een vloeibaar kristal te activeren in reactie op de temperatuur. Methodologieën worden beschreven voor het bereiden van een monster om de overgang en de gedetailleerde overgangsontwikkeling te observeren.

Samenvatting

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

Bij vloeibaar kristal (LC) fysische chemie spelen moleculen in de buurt van het oppervlak een grote rol bij het beheersen van bulkoriëntatie. Tot nu toe is voornamelijk om de gewenste moleculaire oriëntatietoestanden in LC-displays te bereiken, de 'statische' oppervlakte-eigenschap van LC's, zogenaamde oppervlakverankering, intensief bestudeerd. Als een vuistregel, wanneer de initiële oriëntatie van LC's door specifieke oppervlakbehandelingen wordt vergrendeld, zoals wrijven of behandeling met een specifieke uitlijning, verandert het nauwelijks met temperatuur. Hier presenteren we een systeem dat een oriënterende overgang toont op temperatuurvariatie, die in strijd is met de consensus. Direct bij de overgang ervaren de bulk LC moleculen de oriënterende rotatie, 90 ° tussen de vlakke (P) oriëntatie bij hoge temperaturen en de verticale (V) oriëntatie bij lage temperaturen in de eerste-orde overgangsmaat. We hebben thermodynamische oppervlakteverankeringsgedrag bijgehouden door middel van polariserende optische microscopie (POM), dielektrische spectroscopie (DS), hoge resolutie differential scanning calorimetrie (HR-DSC) en weidingsröntgen diffractie (GI-XRD) en bereikte een geloofwaardige fysieke verklaring: dat de overgang wordt veroorzaakt door een groei van het oppervlak Bevochtigingsplaten, die de V-oriëntatie lokaal plaatsen tegen de P-oriëntatie in de massa. Dit landschap zou een algemene koppeling geven waarin wordt verklaard hoe de evenwichtskolomoriëntatie in veel LC-systemen beïnvloed wordt door oppervlakgelokaliseerde oriëntatie. In onze karakterisering zijn POM en DS voordelig door informatie te verstrekken over de ruimtelijke verdeling van de oriëntatie van LC-moleculen. HR-DSC geeft informatie over de precieze thermodynamische informatie over overgangen, die door beperkte resolutie niet door conventionele DSC-instrumenten kunnen worden aangepakt. GI-XRD geeft informatie over oppervlakspecifieke moleculaire oriëntatie en korte afstandsorders. Het doel van deze krant is een protocol voor te bereiden voor het opstellen van een monster die de transi vertoontEn demonstreert hoe de thermodynamische structurele variatie, zowel in de massa als op de oppervlakken, via de bovengenoemde methoden kan worden geanalyseerd.

Inleiding

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

In de afgelopen jaren is er steeds belangrijker geworden om te leren hoe dynamische moleculaire eigenschappen en structuren van oppervlaktemoleculen als reactie op externe stimuli de bulkoriëntatie van materialen in LC-staten kunnen beïnvloeden. Een voorbeeld hiervan is het gebruik van LC biosensors als een nieuwe applicatie van LCs 1 , 2 . Om te kwantificeren hoeveel biobrandstoffen worden gedetecteerd, is het belangrijk om te weten hoe de interfaciale LC's die in aanraking komen met doelmoleculen veranderen en evolueren, terwijl ze ook detecteren en hoe ze hun eigenschappen overbrengen in de massa.

Door gebruik te maken van modellen om deze antwoorden na te streven begonnen we met systemen die hun moleculaire oriëntatie op het oppervlak hebben en kortlopende bestellingen die thermodynamisch variëren. Deze systemen stellen ons in staat om de veranderingen in de oppervlakterichting en -bestellingen met de resulterende massa-oriëntatie op een systematische manier te correleren. Onlangs hebben we verschillende LC-systemen gevonden die o tonenRationele overgangen, waarbij een spontane massa moleculaire oriëntatie verandert met temperatuur. In principe kunnen oriënterende overgangen worden ingedeeld in ofwel quasi-tweede-orde 3 , 4 of quasi-eerste-orde-overgang 5 , 6 , 7 , 8 . De eerstgenoemde wordt vergezeld van een continue bulkmoleculaire heroriëntatie bij veranderingen in temperatuur, terwijl de laatste een discontinue een toont. In dit artikel beschrijven we een oriënterende overgang op de quasi-eerste-orde manier tussen de P en de V oriënterende staten. Het gaat door in de enkele nematische (N) fase door de temperatuur te veranderen. Details zullen worden verstrekt in de representatieve resultaten en de discussie.

Aangezien de oriënterende verandering in het bulk moet worden geregeld door een verandering in de moleculaire oriëntatie van het oppervlak en kort-require orders, is het duidelijk dat dit systeem mogelijk inzicht kan geven in hoe de thermodynamische variatie in oppervlakmoleculaire oriëntatie en kortbereikbestellingen de bulkoriëntatie beïnvloedt. In dit artikel hebben we drie problemen aangepakt met behulp van vier complementaire methoden (POM, DS, HR-DSC en GI-XRD): (1) Hoe ziet de oriënterende overgang eruit? (2) Is de oriënterende overgang thermisch detecteerbaar? (3) Waarom en hoe gebeurt de oriënterende overgang?

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

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

1. Bereiding van het vloeibaar kristal uitlijningslaag van een perfluorpolymeer op glazen substraten

  1. Bereiding van de perfluorpolymeeroplossing
    1. Bereid 1 ml van de perfluorpolymeeroplossing door een perfluopolymeeroplossing (9 gew.% Polymeer) op te lossen in een commercieel oplosmiddel in een verhouding van 1: 2; Dit zorgt ervoor dat uniforme films die 0,5-1 μm dik zijn, worden gedraaid.
      OPMERKING: Raadpleeg de materialenlijst voor de gebruikte oplossing en oplosmiddel.
  2. Coating van het perfluorpolymeer op schone glazen substraten
    1. Was de glazen substraten (typische afmeting: 1 cm x 1 cm) door sonicatie bij 38 of 42 kHz in een alkalisch wasmiddel. Spoel ze met gedistilleerd water af. Spoel meestal meer dan 10 keer, met 5 minuten sonication elke keer.
    2. Onderwerp de substraten gedurende 10 minuten aan UV-O 3 reiniger.
    3. Druppel 20 μL van de oplossing van stap 1.1 op de gereinigde glazen substrattes. Draai de oplossing onmiddellijk op 3.500 rpm en kamertemperatuur gedurende 70 s. Bak de film gedurende 80 minuten bij 80 ° C om het oplosmiddel te verwijderen en bij 60 ° C gedurende 60 minuten te genezen.

2. Bereiding van LC-cellen

  1. Lijm twee glazen substraten die met film zijn bekleed, samen met een fotohardbare hars en een LED-lamp met een golflengte van 365 nm (1,1 W / cm 2 ). Pas de dikte van de kloof tussen de twee substraten aan binnen het bereik van 2-100 μm door gebruik te maken van micrometer-grootte glasdeeltjes of polyethyleennaftalaatfilms.
  2. Introduceer een LC-materiaal, 4'-butyl-4-heptyl-bicyclohexyl-4-carbonitril (CCN47; 0,2-10 μl) 9 aan de bereide LC-cellen met behulp van een spatel onder capillair kracht bij een temperatuur hoger dan de isotrope vloeistof (I) -nematische (N) faseovergangstemperatuur.
    OPMERKING: CCN47 heeft een negatieve diëlektrische anisotropie, en de fase sequentie is Cry 298.6 K SmA 301.3 KN 331.3 KI, waar Cry en SmA staan ​​voor kristal en smectische A fases. Voer CCN47 niet in in de N-fase of SmA-fase, omdat door stroom geïnduceerde uitlijning wordt bevorderd.

3. Sample Karakterisatie

  1. Textuurwaarneming door polariserende optische microscopie (POM) 10
    1. Let op de LC-cellen onder POM met 4-100X objectieve lenzen in combinatie met een hete fase om de monster temperatuur te controleren met ± 0,1-K nauwkeurigheid. Noteer de texturen in meer dan 5 frames, met even intervallen per Kelvin. Gebruik een digitale kleurencamera opeenvolgend, zowel bij koeling als verwarming in het bereik van 291-343 K.
  2. Dielectrische spectroscopie (DS) 11
    1. Bereid LC-cellen, met ITO-elektroden - die een vierkante of ronde vorm hebben en commercieel kunnen kopen - op beide substraten. Soldeer een looddraad aan elk substraat.
      OPMERKING: Raadpleeg de materialenlijst voor de gebruikte substraten.
    2. Meet de capaciteit of diëlektrische constante van de LC-cellen, precies zoals gebruikt voor POM, met behulp van een commerciële impedantie / gain-fase analysator. Zorg ervoor dat de toestand van de monsters vóór elke meting wordt gecompenseerd. Meet de tijdsafhankelijkheid van de capaciteit of de diëlektrische constante van de LC-cellen door de capaciteit van de LC-cellen handmatig elke 5 minuten te meten.
    3. Start de DS-meting alleen als de capaciteit of diëlektrische constante van de LC-cellen niet tijdafhankelijk wordt.
  3. Hoge resolutie differentialscanning calorimetrie (HR-DSC) 12
    1. Zet de LC-cellen in een zelfgemaakte HR-DSC om te worden onderzocht, precies zoals in POM (gebruik nooit DSC pannen). Raadpleeg Referentie 12 om een ​​HR-DSC te ontwerpen en te bouwen en te leren hoe u het kunt gebruiken. Doe metingen met scansnelheden van 0,05-0,10 K / min om de minimale temperatuuroplossende pow te verbeterener.
  4. Grazing incident Röntgendiffractie (GI-XRD) 13
    1. Zet de LC-cel (gebruikt voor POM of DSC) of een monster met een 2 tot 5 μL druppel CCN47 op een gecoat substraat op de GI-XRD-monsterfase, die uitgerust moet zijn met een temperatuurregelaar.
    2. Equilibreer het monster gedurende meer dan 10 minuten bij gewenste temperaturen in het bereik van 291-343 K, zowel bij koeling als verwarming.
    3. Gebruik een voorlopige röntgenstraal op het monster, met een minuut invalshoek van ongeveer 0,05-0,10 °, om oppervlakinformatie over moleculaire oriëntatie en bestellingen / structuren te extraheren. Zwaai de invallingshoek van de röntgenbundel om de optimale invallingshoek te vinden waarbij de sterkte van de diffractie het sterkst is. Neem de metingen op de optimale invalshoek.
      OPMERKING: Houd er rekening mee dat GI-XRD het mogelijk maakt interfaciale eigenaardigheden op de nanometerschaal te detecteren, waardoor het signaal van dunne l wordt geoptimaliseerdAyers terwijl het signaal van het bulk wordt geminimaliseerd. Merk op dat normale XRD-geometrieën, behalve GI-XRD, geen oppervlakgevoelige methoden zijn, aangezien de röntgenstralingstraal een grote penetratiediepte in materialen heeft.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

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

POM beelden, DS data, HR-DSC data en GI-XRD patronen werden verzameld tijdens temperatuurvariatie, vooral in de omgeving van de oriënterende overgang bij zowel koeling als verwarming.

Figuur 1 geeft de evolutie weer van de textuur die is gemaakt door POM en DS metingen tijdens de POM observatie van de oriënterende overgang van de P (V) naar de V (P) oriëntatie toestand tijdens de koeling (verwarmi...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

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

De 10x POM beelden die zijn genomen met behulp van een 5 μm LC cel ( Figuren 1a en b ) tonen duidelijk aan dat de oriëntatietoestand van de bulk LC moleculen tussen de P en de V-oriëntaties over de temperatuurvariatie in de eerste orde verloopt. Dit wordt gekenmerkt door de domeincernatie- en groeiprocessen, waarbij een nieuwe oriëntatie verschilt van de initiële oriëntatie met 90 °. De overgangstemperaturen bij koeling en verwarming zijn respectievelijk 321,5 K en 325,3 K. Aangezien CC...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

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

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

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

Dit werk werd ondersteund door JSPS KAKENHI subsidie ​​nummer 16H06037. Wij bedanken de heer Yuji Sasaki in de Hokkaido University voor technische hulp voor HR-DSC.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
CYTOPAsahi Glass Co. Ltd.CTX-809A
Solvent voor CYTOPAsahi Glass Co. Ltd.CT-180 Sol.
Alkaline detergentMerck KGaAExtran MA01
NOA61Norland Products, Inc.#37-322Verkrijgbaar bij Edmund Optics
AL1254JSR CorporationPlanair uitlijningsmateriaal in zelfgemaakte cellen
4’-butyl-4-heptyl-bicyclohexyl-4-carbonitrileNematel GmbH & Co. KGOp maat gemaakt
UV-O3 reinigerTechnovision Inc.UV-208
Hot-stage systeemMettler ToledoHS82
High-Definition Kleur Camera HeadNikonDS-Fi1
Impedantie/gain-fase analyzerSolartron Analytical1260
Indium Tin Oxide (ITO)-gecoat substraatGEOMATEC Co. Ltd.Op maat gemaakt

Referenties

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

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Polarisatiemicroscopiedi lektrische spectroscopiehogeresolutie differenti le scanningcalorimetriegrazing incidence r ntgendiffractiethermodynamische oppervlakteverankeringquasi smectische A bevochtigingslagenperfluorpolymeeroplossingspin coating

Gerelateerde artikelen