Przejście orientacyjne w ciekłym krysztale wywołane termodynamicznym wzrostem międzyfazowych arkuszy zwilżających
15 maja 2017
Tutaj prezentujemy protokół do wywołania orientacyjnego przejścia ciekłego kryształu w odpowiedzi na temperaturę. Opisano metodologie przygotowania próbki w celu obserwacji przejścia i szczegółowej ewolucji przejściowej.
Ogólnym celem tej procedury jest wywołanie orientacyjnego przejścia ciekłego kryształu w odpowiedzi na temperaturę. I scharakteryzować to przejście. Ta metoda może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie ciekłych kryształów, takie jak termodynamiczne zakotwiczenie powierzchni
.Zaletą tego protokołu jest to, że przejście orientacyjne może być wyraźnie wizualizowane w ten ciągły sposób. A jeśli związane z tym właściwości fizyczne mogą być systematycznie badane. Aby rozpocząć tę procedurę, przygotuj jeden mililitr roztworu perfluoropolimeru, rozpuszczając żądany perfluoropolimer w komercyjnym rozpuszczalniku w stosunku jeden do dwóch, aby zapewnić jednolite warstwy o grubości od 0,5 do 1 mikrometra do powlekania wirowego.
Następnie umyj szklane podłoża przez sonikację w temperaturze 42 kiloherców w alkalicznym detergencie. Następnie kilkakrotnie spłucz każde podłoże wodą destylowaną. Po spłukaniu i wysuszeniu podłoży poddać je działaniu środka czyszczącego UV ozonem przez 10 minut.
Następnie wlej 20 mikrolitrów roztworu perfluoropolimeru na każde oczyszczone szklane podłoże. Roztwór należy natychmiast obtoczyć w warstwie z prędkością 3 500 obr./min i temperaturze pokojowej przez 70 sekund. Następnie piecz folię w temperaturze 80 stopni Celsjusza przez 60 minut, aby usunąć rozpuszczalnik, a w temperaturze 200 stopni Celsjusza przez 60 minut w celu utwardzenia.
Nałóż żywicę fotoutwardzalną wstępnie zmieszaną z cząstkami szkła o wielkości mikrometru na jedno z pokrytych folią szklanych podłoży. Następnie umieść drugie podłoże szklane pokryte folią na pierwszym podłożu i użyj lampy LED o długości fali 365 nanometrów, aby skleić ze sobą oba podłoża. Następnie wprowadzić od 0,2 do 10 mikrolitrów CCN47 do każdej z przygotowanych komórek LC za pomocą szpatułki pod wpływem siły kapilarnej w temperaturze wyższej niż izotropowa nematyczna temperatura przemiany fazowej.
Teraz obserwuj komórki LC pod polaryzacyjną mikroskopią optyczną za pomocą soczewek obiektywowych od czterech do 100X w połączeniu z gorącym stolikiem, aby kontrolować temperaturę próbki z dokładnością plus lub minus 0,1 Kelvina. Za pomocą kolorowej kamery cyfrowej rejestruj tekstury w więcej niż pięciu klatkach, w równych odstępach na kelwin, zarówno po schłodzeniu, jak i podgrzaniu w zakresie od 291 do 343 kelwinów. Do spektroskopii dielektrycznej przygotuj ogniwo LC z elektrodami ITO, przylutowując drut ołowiany do każdego podłoża.
Aby zmierzyć pojemność ogniw LC, podłącz ogniwa do zacisków komercyjnego analizatora fazy wzmocnienia impedancji. Następnie mierz zależność czasową pojemności ogniw LC co pięć minut za pomocą analizatora. W celu analizy HR-DSC należy umieścić ogniwa LC w domowym HR-DSC w celu zbadania.
Wykonuj pomiary z szybkością skanowania od 0,05 do 0,10 kelvina na minutę, aby zwiększyć minimalną zdolność rozdzielczą temperatury. Przedstawiono ewolucję tekstury wykonanej przez pomiary polaryzacyjnej mikroskopii optycznej i spektroskopii dielektrycznej podczas orientacyjnego przejścia ze stanu orientacji płaskiej do pionowej podczas chłodzenia i ogrzewania. Po schłodzeniu orientacja płaska znajduje się tuż poniżej izotropowej temperatury przejścia nematycznego.
Z pojawieniem się dwóch i czterech tekstur pędzla Schlieren. Poprzez wyżarzanie lub dalsze chłodzenie pole widzenia staje się całkowicie ciemne, co sugeruje zakończenie przejścia orientacyjnego. W tym miejscu przedstawiono dane HR-DSC przedstawiające przepływ ciepła przez próbkę w funkcji temperatury i czasu.
Zmienność przepływu ciepła z danymi czasowymi wykorzystano do analizy wykładnika Avrami po przejściu orientacyjnym. Incydenty wypasu: wzory dyfrakcji rentgenowskiej w geometrii kropel i w geometrii komórek C2 LC w różnych temperaturach. Zademonstruj porządkowanie w krótkim zakresie quasi-smektycznych arkuszy zwilżających.
Ze strukturami warstwowymi utworzonymi blisko powierzchni. Nawet w zakresie temperatur płaskich stanów orientacyjnych utrzymują się quasi-smektyczne arkusze zwilżające, co wskazuje, że warunki orientacji powierzchni są sfrustrowane. Zakres histerezy jest zgodny z zakresem histerezy potwierdzonym przez polaryzacyjną mikroskopię optyczną i spektroskopię dielektryczną, co sugeruje, że przejście orientacyjne jest wyzwalane przez quasi-smektyczny wzrost arkusza zwilżającego.
Tak więc, po opanowaniu, obserwacja przejścia orientacyjnego może być wykonana w ciągu czterech godzin, jeśli procedury przygotowawcze są wykonywane prawidłowo. Po tej procedurze można przeprowadzić inne metody, takie jak fluorescencyjna mikroskopia konfokalna i nieliniowa analiza optyczna, aby odpowiedzieć na dodatkowe pytania, takie jak specjalny rozkład orientacji reżysera ciekłokrystalicznego. Po jej opracowaniu technika ta utorowała drogę naukowcom zajmującym się powierzchnią ciekłych kryształów do zbadania powiązań między mikroskopijnymi strukturami w pobliżu powierzchni a mikroskopijnymi strukturami i właściwościami.
Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak przygotować próbkę, aby zaobserwować przejście orientacyjne i jak scharakteryzować ważne właściwości fizyczne.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejszy protokół opisuje metodę wywoływania przejścia orientacyjnego kryształu ciekłego w odpowiedzi na zmiany temperatury. Przejście to można wyraźnie zwizualizować, co pozwala na systematyczne badanie zaangażowanych właściwości fizycznych.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Kryształy ciekłe
- Termodynamika
- Inżynieria materiałowa
Wprowadzenie
- Kryształy ciekłe wykazują unikalne właściwości, które zmieniają się wraz z temperaturą.
- Zrozumienie przejść orientacyjnych jest kluczowe dla zastosowań w technologiach wyświetlaczy.
- Termodynamiczne zachowania zakotwiczenia powierzchniowego są kluczowe dla charakteryzacji tych przejść.
- Metoda ta pozwala na ciągłą obserwację procesu przejścia.
Cel badania
- W celu wywołania i charakterystyki przejścia orientacyjnego kryształów ciekłych.
- W celu zbadania zachowań termodynamicznych związanych z kotwiczeniem powierzchniowym.
- W celu zapewnienia wyraźnej wizualizacji procesu przejścia.
Zastosowane metody
- Przygotowanie roztworu perfluoropolimeru.
- Rozpuszczanie perfluoropolimeru w rozpuszczalniku handlowym w określonym stosunku.
- Tworzenie jednorodnych filmów do nanoszenia metodą spin coatingu.
- Obserwacja przejścia w kontrolowanych warunkach temperaturowych.
Główne wyniki
- Przejście orientacyjne można skutecznie wywołać poprzez zmiany temperatury.
- Jasna wizualizacja przejścia umożliwia szczegółową analizę.
- Możliwe jest systematyczne badanie właściwości fizycznych.
- Metoda ta pozwala na uzyskanie informacji o zachowaniach termodynamicznych.
Wnioski
- Niniejszy protokół dostarcza niezawodnej metody badania przejść kryształów ciekłych.
- Ułatwia on zrozumienie termodynamicznych zachowań kotwiczenia powierzchniowego.
- Opisane podejście jest pomocne w przyszłych badaniach nad zastosowaniami kryształów ciekłych.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Metoda ta umożliwia systematyczną charakterystykę termodynamicznych zachowań zakotwiczenia powierzchniowego w układach ciekłokrystalicznych, co ma istotne znaczenie dla zrozumienia zjawisk międzyfazowych wpływających na właściwości materiałów w objętości. Możliwość wizualizacji i kwantyfikacji przejść orientacyjnych wspiera ograniczanie ryzyka mechanistycznego w rozwoju technologii wyświetlaczy poprzez powiązanie lokalnego uporządkowania molekularnego na powierzchni z makroskopowymi odpowiedziami optycznymi. Takie spostrzeżenia pomagają w modelowaniu predykcyjnym zachowania materiałów pod wpływem naprężeń termicznych, co wpływa na decyzje projektowe w zastosowaniach optoelektronicznych i sensorowych.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Dostarcza schematu badawczego do analizy wpływu uporządkowania molekularnego indukowanego przez powierzchnię na zachowanie fazy objętościowej, co wspiera weryfikację hipotez w układach materii miękkiej.
- Wartość operacyjna: Umożliwia powtarzalną obserwację przejść pierwszego rodzaju za pomocą polaryzacyjnej mikroskopii optycznej i spektroskopii dielektrycznej, co ułatwia spójną ocenę oddziaływania z celem.
Przesiewy i opracowanie testów
- Wartość naukowa: Dostarcza ilościowe dane termodynamiczne za pomocą DSC o wysokiej rozdzielczości, co umożliwia precyzyjny pomiar energetyki przejść w celu standaryzacji analizy.
- Wartość operacyjna: Łączy wiele komplementarnych technik (POM, DS, GI-XRD) w celu wzajemnej walidacji odpowiedzi powierzchniowych i objętościowych, co zwiększa wiarygodność analizy i redukuje liczbę wyników fałszywie dodatnich.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Wyjaśnia, w jaki sposób wzrost powierzchniowej warstwy zwilżania napędza reorientację objętościową, zapewniając mechaniczną podstawę do przewidywania ciągłości odpowiedzi od poziomu molekularnego do poziomu tkankowego.
- Wartość operacyjna: Demonstruje charakterystykę histerezy i odwracalności, która jest kluczowa dla oceny stabilności materiału w cyklicznych warunkach środowiskowych, istotnych dla długoterminowych systemów implantowalnych lub urządzeń ubieralnych.
Integracja potoku i przepływu pracy
Protokół ten zakłada przeprowadzenie charakterystyki powierzchniowej na wczesnym etapie procesu odkrywania, co pozwala zespołom na powiązanie nanoskalowej struktury międzyfazowej z wynikiem funkcjonalnym przed przejściem do etapów optymalizacji związku wiodącego.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez dotyczących wpływu modyfikacji powierzchniowych na orientację dyrektora kryształów ciekłych, co pozwala na walidację celów w biomimetycznych systemach materiałowych.
- Przesiewanie: Umożliwia ocenę responsywności termicznej i stabilności orientacyjnej, co jest kluczowe dla screeningu biosensorów lub aktuatorów opartych na kryształach ciekłych.
- Analityka: Generuje dane ilościowe, w tym temperaturę przejścia, szerokość histerezy oraz wykładnik Avramiego, co pozwala na obiektywne porównanie różnych wariantów materiałowych.
- Badania translacyjne: Łączy specyficzne dla powierzchni uporządkowanie molekularne (za pomocą GI-XRD) z właściwościami optycznymi objętościowymi, wspierając odczyty typu biomarker w responsywnych systemach materiałowych.
- Wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Ustanawia platformę wielokrotnego użytku do oceny wywoływanych termicznie przejść fazowych w materii miękkiej, możliwą do zastosowania w wielu formulacjach kryształów ciekłych i architekturach urządzeń.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Redukuje niejednoznaczność mechanistyczną poprzez bezpośrednie powiązanie wzrostu warstwy zwilżającej powierzchnię z objętościowym przejściem orientacyjnym, zwiększając pewność co do relacji między strukturą a właściwościami.
- Wartość operacyjna: Standaryzuje przygotowanie próbek i charakteryzację multimodalną, co poprawia powtarzalność między laboratoriami i przyspiesza transfer technologii.
- Wartość strategiczna: Wspiera podejmowanie decyzji o kontynuacji lub przerwaniu badań poprzez wczesny wgląd w stabilność termiczną orientacji kryształów ciekłych, redukując ryzyko w późniejszych etapach rozwoju wyświetlaczy lub czujników.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację formulacji kryształów ciekłych z uwzględnieniem ryzyka, w oparciu o ilościowe zachowanie przejść międzyfazowych i profile histerezy termicznej.
Kwestie związane z implementacją
- Wymagana jest wiedza w zakresie obchodzenia się z kryształami ciekłymi, osadzania cienkich warstw oraz mikroskopii z użyciem komory termicznej.
- Zależne od dostępu do mikroskopii optycznej w świetle spolaryzowanym z modułem grzewczym, spektrometru dielektrycznego, DSC o wysokiej rozdzielczości oraz dyfrakcji rentgenowskiej w geometrii grazing incidence.
- Konieczna jest standaryzacja procedur czyszczenia i powlekania podłoża w celu zapewnienia powtarzalnej energii powierzchniowej i dynamiki zwilżania.
- Wymaga rozważenia adaptacji przy przejściu z a-szkła powlekanego perfluoropolimerem na inne materiały podłoży lub mieszaniny kryształów ciekłych.
- Ograniczone przez konieczność precyzyjnej kontroli temperatury (±0.1 K) w celu rozdzielenia wąskiej histerezy przejścia, co może ograniczać adaptację do wysokoprzepustowości.
Najczęściej zadawane pytania dotyczące biofarmacji
Chapters in this video
0:05
Title
5:18
Conclusion
3:41
Results: Orientational Transition of a Liquid Crystal in Response to Temperature
0:37
Preparation of the Liquid Crystal Alignment Layer of a Perfluoropolymer onto Glass Subtrates
1:44
Preparation of LC Cells and Sample Characterization
