Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.

Methodenartikel

Hoog contrast en snelle Photorheologische omschakeling van een twist-Bend Nematic Liquid Crystal

5.9K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/60433

⸱

31 oktober 2019

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
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 dit artikel

Samenvatting

Dit protocol demonstreert de voorbereiding van een foto orheologisch materiaal dat een vaste fase vertoont, verschillende vloeibare kristallijne fasen en een isotrope vloeistoffase door de temperatuur te verhogen. Gepresenteerd hier zijn methoden voor het meten van de structuur-viscoelasticiteit relatie van het materiaal.

Samenvatting

Slimme viscoelastische materialen die reageren op specifieke stimuli zijn een van de aantrekkelijkste klassen van materialen die belangrijk zijn voor toekomstige technologieën, zoals on-demand schakelbare adhesie technologieën, actuatoren, moleculaire koppelingen en nano-/microscopische massa Vervoerders. Onlangs bleek dat door middel van een speciale vaste-vloeistof overgang, Rheologische eigenschappen significante veranderingen kunnen vertonen, waardoor geschikte slimme viscoelastische materialen worden geboden. Echter, het ontwerpen van materialen met een dergelijke eigenschap is complex, en vooruit en achteruit schakeltijden zijn meestal lang. Daarom is het belangrijk om nieuwe werk mechanismen te verkennen om vaste-vloeistof overgangen te realiseren, de schakeltijd te verkorten en het contrast van Rheologische eigenschappen tijdens het schakelen te verbeteren. Hier wordt een licht-geïnduceerde kristal-vloeistoffase overgang waargenomen, die wordt gekenmerkt door middel van polariserende Lichtmicroscopie (POM), photorheometrie, foto-differentiaal Scanning calorimetrische (Photo-DSC) en röntgendiffractie (XRD). De licht-geïnduceerde kristal-vloeistoffase transitie presenteert belangrijke kenmerken zoals (1) snel schakelen van kristal-vloeistof fasen voor zowel voorwaartse als achterwaartse reacties en (2) een hoge contrastverhouding van viscoelasticiteit. In de karakterisering is POM voordelig bij het aanbieden van informatie over de ruimtelijke verdeling van LC-molecuul oriëntaties, het bepalen van het type vloeibare kristallijne fasen in het materiaal en het bestuderen van de oriëntatie van LCs. Photorheometrie maakt het mogelijk om de Rheologische eigenschappen van een materiaal onder lichte stimuli te meten en kan de fotomorheologische Schakel eigenschappen van materialen onthullen. Photo-DSC is een techniek om thermodynamische informatie van materialen in duisternis en onder licht bestraling te onderzoeken. Ten slotte maakt XRD het bestuderen van microscopische structuren van materialen mogelijk. Het doel van dit artikel is om duidelijk te presenteren hoe de besproken eigenschappen van een foto orheologisch materiaal voor te bereiden en te meten.

Inleiding

Slimme mechanische materialen met de mogelijkheid om hun visco-elastische eigenschappen te veranderen in reactie op omgevings variatie hebben enorme belangstelling bij onderzoekers gegenereerd. De Schakel baarheid wordt beschouwd als de belangrijkste materiële factor, die de robuustheid van repetitieve mechanische respons in levende organismen biedt. Tot op heden zijn kunstmatig schakelbare materialen met veelzijdige functies ontworpen door gebruik te maken van zachte stof (d.w.z. fotomoresponsieve hydrogels1,2,3, polymeren4,5, 6,7,8,9,10,11, vloeibare kristallen [LCs]9,10,11, 12,13,14,15,16,17, pH-responsief micellen18,19,20 ,21,22en oppervlakteactieve stoffen23). Echter, deze materialen lijden aan meer dan een van de volgende problemen: gebrek aan omkeerbaarheid, lage Schakel contrastverhouding van visco-elasticiteit, lage adaptiviteit, en langzame Schakelsnelheid. In conventionele materialen bestaat er een afweging tussen de contrastverhouding van de viscoelasticiteit en de Schakelsnelheid; het ontwerpen van materialen die al deze criteria met hoge prestaties bestrijken, is dus een uitdaging. Om materialen te realiseren met de bovengenoemde omnicapability, is het essentieel om moleculen te selecteren of te ontwerpen die emergente aard van beide hoge vloeibaarheid (visceuze eigenschap) en stijfheid (elastische eigenschap) dragen.

Vloeibare kristallen zijn ideale systemen met een potentieel groot aantal vloeibare kristallijne en vaste fasen die kunnen worden afgesteld door moleculair ontwerp. Dit zorgt voor zelf-geassembleerde constructies met verschillende lengte schalen in bepaalde LC-fasen. Terwijl hoge-symmetrie nematic LCs (Nlc's) een lage viscositeit en elasticiteit vertonen vanwege de ruimtelijke volgorde van de korte afstand, vertonen lage-symmetrie kolommen of smectische LCs een hoge viscositeit en elasticiteit als gevolg van een-en tweedimensionaal lang bereik periodiciteiten. Verwacht wordt dat als LC-materialen kunnen worden geschakeld tussen twee fasen met grote verschillen in hun visco-elastische eigenschappen, dan een visco-elastisch slim materiaal met hoge prestaties kan worden bereikt. Een paar voorbeelden zijn gemeld9,10,11,12,13,14,15.

Dit artikel demonstreert de voorbereiding van een photorheologisch LC-materiaal met een fase sequentie van isotrope (I)-nematic (N)-twist-Bend nematic (TB)24-Crystal (Cry) bij koeling (en omgekeerd bij verwarmen), die snel en omkeerbaar vertoont Viscoelastisch schakelen als reactie op licht. Gepresenteerd hier zijn de methoden voor het meten van viscoelasticiteit en een illustratie van de microscopische structuur-viscoelasticiteit relatie. Details worden beschreven in de secties representatieve resultaten en discussie.

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

Protocol

1. voorbereiding van gewreven oppervlakken voor het uitlijnen van LC-moleculen planarly

  1. Maak schone glazen ondergronden.
    1. Snijd glas substraten met behulp van een diamant-gebaseerde glassnijder (tafel van materialen) in kleine vierkante stukken met gemiddelden maten van 1 cm x 1 cm. was ze door sonicatie bij 38 khz of 42 kHz in een alkalisch reinigingsmiddel (tabel met materialen, verdund in water bij een detergens: watervolume ratio van 1:3) en spoelen met gedestilleerd water herhaaldelijk (meestal meer dan 10x met 5 min van sonicatie voor elke spoeling).
    2. Onderwerp de substraten aan ultraviolet-ozon (UV-O3) Cleaner (tabel met materialen) voor meer dan 10 minuten.
  2. Coat Planar uitlijnings laag op schone glazen ondergronden.
    1. Druppelt 20 μL 1 mL van een polyimide planaire uitlijnings oplossing (gebruiktetabel met materialen) met een pipet op de gereinigde glazen ondergronden. Onmiddellijk spin-Coat de oplossing, met behulp van een spin coater (tabel van de materialen) bij 3.000 rpm en kamertemperatuur (RT) voor 70 s.
      Opmerking: de typische dikte van de uitlijnings laag is ongeveer 20 Nm.
    2. Bak de gecoate glazen substraten bij 80 °C gedurende 60 minuten om het oplosmiddel te verwijderen en bij 180 °C gedurende > 60 minuten voor uitharding. Wrijf de substraten met behulp van een rayon-doek wrijven machine (tabel van de materialen) met de volgende parameters: rotatiesnelheid = 300 rpm, plaat snelheid = 20 mm/s, en indruk = 0,3 mm voor het realiseren van uniaxiale uitlijning van LC-materialen.

2. bereiding van LC-cellen

  1. Plaats een glas substraat bedekt met de uitlijnings laag op een ander substraat, met de uitlijnings lagen face-to-face, en zorg ervoor dat ze 80% overlappen om een cel te vormen.
    Opmerking: de 20% niet-overlappende oppervlakken moeten worden gebruikt voor de introductie van LC-materialen in de cel.
  2. Plaats 100 μL van een fotorenactieve kleefstof (tabel met materialen) en 0,1 mg micrometer grote glasdeeltjes (diameter = 5 μm) op een schoon glazen substraat en meng ze handmatig met behulp van de punt van een paperclip. Verplaats het gemengde materiaal naar vier hoeken van de cel om de celspleet aan te passen en de cel te verlichten met een lagedruk kwikdamp korte booglamp (Inhoudsopgave) met een golflengte van 365 nm (1,1 W/cm2). Plaats de cel onder de LED-lamp op een afstand van 1 cm gedurende 5 minuten.
  3. Plaats de cel na de belichting op een hete fase en stel de doeltemperatuur van het werkgebied in om de cel te verwarmen tot een temperatuur boven de isotrope vloeistof (I)-nematic (N) faseovergang (meestal bij 160 °C). Overdracht van het LC-materiaal (1-[4-butoxyazobenzeen-4'-yloxy]-6-[4-cyanobifenyl-4 ' yl] hexaan; CB6OABOBu; 0,2 − 10,0 μL) op één open oppervlak van de cel en duw de materialen naar de celingang met behulp van een microspatel om contact te verkrijgen tussen het LC-materiaal en de ingang van de cel. Wacht tot de LC-materialen door capillaire kracht in de cel worden ingevuld.
    Opmerking: CB6OABOBu heeft een fase sequentie: Cry 100,3 °C TB 105,2 °C N 151,7 °C I op verwarming en I 151,4 °C N 104,5 °C TB 83 °C huilen op koeling. Introduceer CB6OABOBu niet in de fase N fase of TB, omdat doorstroming geïnduceerde uitlijning wordt bevorderd.

3. textuur karakteriseren door polariserende optische microscopie

  1. Houd rekening met de LC-cellen die op het hete podium worden geplaatst om de monstertemperatuur (40 − 180 °C) te regelen met een nauwkeurigheid van ± 0,1 K onder een polariserende lichtmicroscoop (POM, tafel van materialen) met 4x − 100x objectieve lenzen. Neem texturen op met een digitale kleurencamera opeenvolgend tijdens koeling en verwarming.
  2. Gebruik een UV epi-illuminator (tabel met materialen) die op de pom is uitgerust met een golflengte van 365 nm (50 MW/cm2).

4. fotomorheologische metingen

  1. Voorbereiding van reologische metingen.
    1. Vóór het plaatsen van een monster op het podium van de reometer (tabel van de materialen), uitvoeren geometrie traagheids kalibratie en Zero gap kalibratie bestuurd door een software volgens de instructies van de fabrikant om de nauwkeurigheid van de Rheologische studie te garanderen . Weeg 250 mg CB6OABOBu poeder monster en laad het op de basis kwarts plaat van de reometer.
      Opmerking: voor de huidige studie wordt een plaat met een diameter van 50 mm gebruikt.
    2. Stel de temperatuur van de bemonsterings kamer in op een waarde boven het I-N fase overgangs punt (> 160 °C). Stel een Gap-waarde in voor het naderen van de meet plaat naar de basis kwarts plaat naar sandwich het monster (typische gap-waarde gebruikt = 20 μm). Trim overtollige steekproef (bijvoorbeeld door het gebruik van papieren doekjes) die zich buiten de kloof bevindt wanneer de meet plaat stopt bij de trim positie, die 25 μm boven de beoogde kloof ligt.
      Opmerking: laat geen overtollige hoeveelheid CB6OABOBu toe aan de monsterkamer, omdat dit de metingen onnauwkeurig maakt.
  2. Reologische metingen uitvoeren.
    1. Bestralings UV-licht bij 365 nm (1 − 100 mW/cm2), meet fotororheologisch schakelen van CB6OABOBu met behulp van de hogedruk kwikdamp korte booglamp.
      Opmerking: het licht wordt door de basis kwarts plaat onder de monster container geleid.
    2. Metingen uitvoeren in 1) oscillerende modus voor het extraheren van dynamische herstelinformatie van het materiaal en 2) stabiele rotatie modus voor het verkrijgen van effectieve rotatie viscositeit. Voor metingen in rotatie modus past u een constante shear stress van 13 pa toe op het monster om ervoor te zorgen dat de meting wordt uitgevoerd in het Newtonian regime.
      Opmerking: de selectie van de modi wordt uitgevoerd door een software volgens de instructies van de fabrikant.

5. foto-differentiële scanning calorimetrie

  1. Weeg 10 mg CB6OABOBu poeder monster en laad het in een gouden differentiële scanning calorimetrie (DSC) pan. Verwarm het monster tot 170 °C in de isotrope fase en zorg ervoor dat er geen inhomogene monster verdeling in de DSC-pan is, zoals waargenomen door het blote oog. Dek de DSC-pan af met een kwarts plaat.
  2. Foto-DSC-metingen uitvoeren volgens de instructies van de fabrikant (tabel met materialen). DSC-gegevens meten bij een scan van 10 °C/min.
    Opmerking: de Photo-DSC-machine is uitgerust met een UV-lichtintensiteit van 50 mW/cm2.

6. röntgendiffractie karakteriseren

  1. Verwarm het poeder CB6OABOBu monster met behulp van het hete podium bij 170 °C en zuig het monster op in een XRD capillair (diameter = 0,5 mm) door capillaire kracht.
  2. Bevestig het capillair aan een monsterhouder uitgerust met een temperatuurregelaar. Stel de kamertemperatuur in (60 °C, 70 °C, 80 °C, 90 °C, 100 °C, 110 °C, 120 °C, 130 °C, 140 °C, 150 °C, 160 °C en 170 °C voor elke X-Ray diffractie meting).
  3. Bestraleren het monster met röntgenstraling en Detecteer de verstrooide röntgenstralen door een detector zonder UV-bestraling en onder een UV-lichtintensiteit van 10 MW/cm2 gedurende 1 minuut en 10 min.
    NB: de huidige studie werd uitgevoerd in RIKEN beamline BL45XU. De lichtbron was de SPring-8 standaard in-vacuüm-undulator. Een vloeibare stikstof-gekoelde si dubbel kristal Monochromator werd gebruikt om de bundel monochromatiseren. De golflengte was 1 Å.

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

Resultaten

POM beelden, photorheometrische gegevens, Photo-DSC-gegevens en XRD-intensiteits profielen werden verzameld in de duisternis tijdens temperatuurschommelingen en tijdens het glimmende UV-licht. Figuur 1a, b vertegenwoordigt de structuur van CB6OABOBu, met de fasevolgorde en mogelijke CONFORMATIES geoptimaliseerd door de mm2 ForceField in het modellerings programma (bijv. ChemBio3D).

Wanneer CB6OABOBu in de trans-staat, twee energie-plausibele confo...

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

Discussie

Zoals onthuld in Figuur 1, is CB6OABOBu een foto-responsief materiaal met I-, N-, TB-en Cry-fase sequenties bij koeling. Aangezien de lokale ordening van deze fasen aanzienlijk verschilt, wordt verwacht dat de door foto gestuurde omschakeling van Rheologische eigenschappen een goed Viscoelastisch contrast vertoont. Om dit te kwantificen onderzoeken werden foto-reologie metingen uitgevoerd.

Ten eerste beschouwen we de in het donker gemeten Rheologische gegevens (

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

Openbaarmakingen

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

Dit werk werd gesteund door het bilaterale gemeenschappelijk onderzoeksproject HAS-JSPS. Financiële steun van subsidies NKFIH PD 121019 en FK 125134 wordt erkend.

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

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
21-401-10AS ONEMicrospatula
AL1254JSRPlanair aflijningsmiddel voor vloeibare kristallen
BX53POlympusPolarisatiemicroscoop met transmissie/epi-verlichtingseenheden
Discovery DSC 25PTI instrumentsFoto-DSC apparatuur
Glass cutter PRO-1ASankyoEen diamant-gebaseerde glasnijder
HS82Mettler Toledohot stage
MCR502Anton PaarEen commerciële reometer
MRJ-100SEHCWrijfmachine
Norland Optical Adhesive 65, 81Norland ProductsFotoreactieve kleefstoffen
OmniCure S2000Excelitas TechnologiesEen commerciële hogedruk kwikdamp korte booglamp. Maximum 70 mW/cm^2.
PILATUS 6MDectrisHybride foton tellerdetector voor detectie van röntgendiffractie
S1126Matsunami GlassGlassubstraat
SC-158HEHCSpin coater
SCAT-20XDKSAlkaline detergent
SLUV-4AS ONEKwikdamp korte booglamp met lage druk
UV-208TechnovisionUltraviolet-ozon (UV-O3) reiniger

Referenties

  1. Grindy, S. C., Holten-Andersen, N. Bio-inspired metal-coordinate hydrogels with programmable viscoelastic material functions controlled by longwave UV light. Soft Matter. 13, 4057-4065 (2017).
  2. Rosales, A. M., Mabry, K. M., Nehls, E. M., Anseth, K. S. Photoresponsive elastic properties of azobenzene-containing poly(ethylene-glycol)-based hydrogels. Biomacromolecules. 16, 798-806 (2015).
  3. Chang, D., Yan, W., Yang, Y., Wang, Q., Zou, L. Reversible light-controllable intelligent gel based on simple spiropyran-doped with biocompatible lecithin. Dyes and Pigments. 134, 186-189 (2015).
  4. Irie, M., Hirano, Y., Hashimoto, S., Hayashi, K. Photoresponsive Polymers. 2. Reversible Solution Viscosity Change of Polymamides Having Azobenzene Residues in the Main Chain. Macromolecules. 14, 262-267 (1981).
  5. Ito, S., Akiyama, H., Sekizawa, R., Mori, M., Yoshida, M., Kihara, H. Light-Induced Reworkable Adhesives Based on ABA-type Triblock Copolymers with Azopolymer Termini. ACS Applied Materials and Interfaces. 10, 32649-32658 (2018).
  6. Yamamoto, T., Norikane, Y., Akiyama, H. Photochemical liquefaction and softening in molecular materials, polymers, and related compounds. Polymer Journal. 50, 551-562 (2018).
  7. Petr, M., Helgeson, M. E., Soulages, J., McKinley, G. H., Hammond, P. T. Rapid Viscoelastic Switching of an Ambient Temperature Range Photoresponsive Azobenzene Side-chain Liquid Crystal Polymer. Polymer. 54, 2850-2856 (2013).
  8. Han, G. G. D., Li, H., Grossman, J. C. Optically controlled long-term storage and release of thermal energy in phase-change materials. Nature Communications. 8, 1-10 (2017).
  9. Akiyama, H., Yoshida, M. Photochemically Reversible Liquefaction and Solidification of Single Compounds Based on a Sugar Alcohol Scaffold with Multi Azo-Arms. Advanced Materials. 24, 2353-2356 (2012).
  10. Akiyama, H., et al. Photochemically reversible liquefaction and solidification of multiazobenzene sugar-alcohol derivatives and application to reworkable adhesives. ACS Applied Materials and Interfaces. 6, 7933-7941 (2014).
  11. Akiyama, H., Fukata, T., Yamashita, A., Yoshida, M., Kihara, H. Reworkable adhesives composed of photoresponsive azobenzene polymer for glass substrates. Journal of Adhesion. 93, 823-830 (2017).
  12. Norikane, Y., et al. Photoinduced Crystal-to-Liquid Phase Transitions of Azobenzene Derivatives and Their Application in Photolithography Processes through a Solid-Liquid Patterning. Organic Letters. 16, 5012-5015 (2014).
  13. Kim, D. Y., Lee, S. A., Kim, H., Kim, S. M., Kim, N., Jeong, K. U. An azobenzene-based photochromic liquid crystalline amphiphile for a remote-controllable light shutter. Chemical Communications. 51, 11080(2015).
  14. Saito, S., et al. Light-melt adhesive based on dynamic carbon frameworks in a columnar liquid-crystal phase. Nature Communications. 7, 1-7 (2016).
  15. Peng, S., Guo, Q., Hughes, T. C., Hartley, P. G. Reversible Photorheological Lyotropic Liquid Crystals. Langmuir. 30, 866-872 (2014).
  16. Ito, S., Yamashita, A., Akiyama, H., Kihara, H., Yoshida, M. Azobenzene-Based (Meth)acrylates: Controlled Radical Polymerization, Photoresponsive Solid–Liquid Phase Transition Behavior, and Application to Reworkable Adhesives. Macromolecules. 51, 3243-3253 (2018).
  17. Yue, Y., Norikane, Y., Azumi, R., Koyama, E. Light-induced mechanical response in crosslinked liquid-crystalline polymers with photoswitchable glass transition temperatures. Nature Communications. 9, 1-8 (2018).
  18. Lee, H. Y., Diehn, K. K., Sun, K., Chen, T., Raghavan, S. R. Reversible Photorheological Fluids Based on Spiropyran-Doped Reverse Micelles. Journal of the American Chemical Society. 133, 8461-8463 (2011).
  19. Su, X., Cunningham, M. F., Jessop, P. G. Switchable viscosity triggered by CO2 using smart worm-like micelles. Chemical Communications. 49, 2655-2657 (2013).
  20. Cho, M. Y., Kim, J. S., Choi, H. J., Choi, S. B., Kim, G. W. Ultraviolet light-responsive photorheological fluids: as a new class of smart fluids. Smart Materials and Structures. 26, 1-8 (2017).
  21. Oh, H., et al. A simple route to fluids with photo-switchable viscosities based on a reversible transition between vesicles and wormlike micelles. Soft Matter. 9, 5025-5033 (2013).
  22. Akamatsu, M., et al. Photoinduced viscosity control of lecithin-based reverse wormlike micellar systems using azobenzene derivatives. RSC Advances. 8, 23742-23747 (2018).
  23. Song, B., Hu, Y., Zhao, J. A single-component photo-responsive fluid based on a gemini surfactant with an azobenzene spacer. Journal of Colloid and Interface Science. 333, 820-822 (2009).
  24. Borshch, V., et al. Nematic twist-bend phase with nanoscale modulation of molecular orientation. Nature Communications. 4, 2635-2643 (2013).
  25. Panov, V. P., et al. Spontaneous Periodic Deformations in Nonchiral Planar-Aligned Bimesogens with a Nematic-Nematic Transition and a Negative Elastic Constant. Physical Review Letters. 105, 1-4 (2010).
  26. Aya, S., et al. Fast-and-Giant Photorheological Effect in a Liquid Crystal Dimer. Advanced Materials Interfaces. 6, 1-7 (2019).
  27. Ishiba, K., et al. Photoliquefiable ionic crystals: A phase crossover approach for photon energy storage materials with functional multiplicity. Angewandte Chemie International Edition. 54, 1532-1536 (2015).
  28. Zhou, H., et al. Photoswitching of glass transition temperatures of azobenzene-containing polymers induces reversible solid-to-liquid transitions. Nature Chemistry. 9, 145-151 (2017).

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

Herprints en machtigingen

Tags

Polarisatiemicroscopiefotoreometriefoto differentieel scannende calorimetrier ntgendiffractieuv bestralingvisco elastische eigenschappencapillaire vulling
Hoog contrast en snelle Photorheologische omschakeling van een twist-Bend Nematic Liquid Crystal
Neem contact met ons op
Aanbevelen aan de bibliotheek

Privacy

Gebruiksvoorwaarden

Beleidsoverzicht

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.