Name: Nowatorskie techniki obserwacji dynamiki strukturalnej fotoczułych ciekłych kryształów (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-05-29T14:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 35 s
Description: Poznaj nowatorskie techniki obserwacji dynamiki strukturalnej fotoczułych ciekłych kryształów przy użyciu spektroskopii wibracyjnej IR i dyfrakcji elektronowej. Metody te umożliwiają badanie ultrafastowych zmian molekularnych.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Dziękujemy Dr. S. Tanace z Tokyo Institute of Technology za pomiary spektroskopii wibracyjnej IR z rozdzielczością czasową oraz Prof. M. Hara i Dr. K. Matsuo z Uniwersytetu Nagoya za pomiary XRD. Dziękujemy również prof. S. Yamaguchiemu z Uniwersytetu w Nagoi, prof. R. Hergesowi z Uniwersytetu w Kilonii oraz prof. R. J. D. Millerowi z Instytutu Struktury i Dynamiki Materii im. Maxa Plancka za cenną dyskusję.
Ta praca jest wspierana przez Japońską Technologię Naukową (JST), PRESTO, na finansowanie projektów "Technologia molekularna i tworzenie nowych funkcji" (Numer grantu JPMJPR13KD, JPMJPR12K5 i JPMJPR16P6) oraz "Chemiczna konwersja energii świetlnej". Praca ta jest również częściowo wspierana przez granty JSPS o numerach JP15H02103, JP17K17893, JP15H05482, JP17H05258, JP26107004 i JP17H06375.

1.Czasowo-rozdzielcza spektroskopia wibracyjna w podczerwieni
<ol>
	<li>Przygotowanie próbki
	<ol>
		<li>Rozwiązanie: Rozpuścić π-rozszerzone cząsteczki cyklooktatetraenu (π-COT) w dichlorometan o odpowiednim stężeniu (1 mmol/l).</li>
		<li>Faza LC: Rozpuść proszek π-COT na podłożu z fluorku wapnia (CaF2) za pomocą płyty grzejnej w temperaturze 100 °C. Schłodzić próbkę w temperaturze pokojowej. 
		Uwaga: Musimy wybrać materiał (CaF2 lub fluorek baru (BaF2)), który jest przezroczysty w średnim zakresie podczerwieni.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Ustawianie aparatury
	<ol>
		<li>Włącz laser z szafirem tytanowym (Ti:szafir) i wzmacniacz impulsów ćwierkających. Stabilizuj je termicznie przez kilka godzin.</li>
		<li>Upewnij się, że wyrównania są prawidłowe. Sprawdź moc i stabilność pompy ultrafioletowej (UV) i sondy średniej podczerwieni i w razie potrzeby ponownie wyrównaj ścieżkę optyczną. Układ optyczny czasowo-rozdzielczej spektroskopii w podczerwieni jest przedstawiony w <silna klasa="xfig">Rysunek 5.</li>
		<li>Schłodzić matrycę detektorów podczerwieni HgCdTe za pomocą ciekłego azotu. Upewnij się, że spektrometr jest prawidłowo ustawiony, tak aby w zakresie zainteresowania została wykryta rozsądna ilość światła. Skalibruj spektrometr za pomocą widm absorpcyjnych dobrze znanych materiałów, takich jak polistyren lub politereftalan etylenu.</li>
		<li>Zamontować próbkę, która wykazuje dużą reakcję przejściową indukowaną światłem (wafel Si (1 mm) lub roztwór Re(bpy)(CO)3Cl/CH3CN) na uchwycie próbki. Zlokalizuj opóźnienie sondy pompy do wartości dodatniej i zoptymalizuj ilość sygnału przejściowego, mieszając belkę pompy, aby zapewnić zachodzenie na siebie sondy pompy.</li>
		<li>Znajdź ustawienie początku czasu, wykonując skanowanie dalekiego zasięgu opóźnienia sondy pompy za pomocą domowego programu (Rysunek 6). Sprawdź pozycję, w której zaczyna pojawiać się sygnał przejściowy.</li>
		<li>Sprawdź dynamikę drgań symetrycznych i antysymetrycznych rozciągania CO w Re(bpy)(CO)3Cl, których momenty dipolowe są prostopadłe. Zauważ, że oba powinny wykazywać dokładnie taką samą dynamikę, gdy warunek magicznego kąta jest prawidłowo spełniony.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Pomiary i akwizycja danych
	<ol>
		<li>Rozwiązanie: Zamontuj domową komorę przepływową. W razie potrzeby wyposażyć urządzenie bulgoczące w gaz obojętny (azot (N2) lub argon (Ar)). Faza LC: Zamontuj powlekaną spinowo próbkę π-COT z podłożem na zmotoryzowanym stoliku, aby w sposób ciągły przesuwać plamki lasera na próbce, aby zminimalizować uszkodzenia wywołane laserem.</li>
		<li>Dokładnie sprawdź pozycję zerową czasu z próbką.</li>
		<li>Ustaw prawidłowo zakres skanowania opóźnienia pompa-sonda (start, koniec i krok).</li>
		<li>Wybierz katalog, w którym chcesz zapisać dane.</li>
		<li>Rozpocznij zbieranie danych za pomocą domowego programu. 
		UWAGA: Dane są automatycznie zapisywane w katalogu.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Dyfrakcja elektronów rozdzielczo-czasowa
<ol>
	<li>Wytwarzanie substratu próbki
	<ol>
		<li>Kup wafel krzemowy (001) (o grubości 200 μm), którego obie strony są wstępnie pokryte folią z azotku krzemu bogatego w krzem o grubości 30 nm (Si3N4 lub po prostu SiN) (<silna klasa = "xfig">Rysunek 11A). Pokrój wafel SiN/Si/SiN w kwadrat (15 × 15 mm2).</li>
		<li>Napromieniować wiązkami jonów klastra Ar 41 o fluencji 2,5 × 1016 jonów/cm2 na jedną ze stron płytki SiN/Si/SiN przez metalową maskę (<silna klasa="xfig">Rysunek 12), która jest wystarczająca do usunięcia warstwy SiN o grubości 30 nm (<silna klasa="xfig">Rysunek 11B,C). 
		UWAGA: Alternatywną metodą usuwania filmu SiN jest trawienie plazmowe lub trawienie wiązką jonów.</li>
		<li>Przygotować wodny roztwór wodorotlenku potasu (KOH) o stężeniu 28%.</li>
		<li>Umieść wafel w roztworze KOH w temperaturze 60-70 °C na 1-2 dni (<silna klasa="xfig">Rysunek 11D), które przeprowadzają dalsze wytrawianie płytki Si za pomocą izotropowego trawienia chemicznego42. 
		UWAGA: Szybkość trawienia Si przez roztwór KOH jest znacznie szybsza niż dla SiN, więc cienka warstwa SiN pozostaje jako membrany samonośne (<silna klasa = "xfig">Rysunek 11E).</li>
		<li>Oczyść płytkę membranami SiN w wodzie dejonizowanej i wysusz ją gazowym azotem.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Przygotowanie próbki
	<ol>
		<li>Rozpuścić cząsteczki π-COT w chloroformie w stężeniu 10 mg/ml.</li>
		<li>Zaprogramuj powlekarkę: przyspiesz do 2000 obr./min w 5 s, utrzymuj obroty przez 30 s i zatrzymaj obrót. Wiruj roztwór π-COT na podłożu membrany SiN, jak pokazano na <silna klasa="xfig">Rysunek 11F. 
		UWAGA: Właściwy rozmiar płytki do powlekania wirowego musi być większy niż 10 × 10 mm2, ponieważ napięcie powierzchniowe czasami zakłóca powlekanie spinowe materiałów na mniejszych płytkach, na przykład siatce membranowej SiN do transmisyjnej mikroskopii elektronowej.</li>
		<li>Umieść próbkę pokrytą na podłożu z membrany SiN na płycie grzejnej w temperaturze 100 °C, rozpuść ją i stopniowo schładzaj do temperatury pokojowej (<silna klasa="xfig">Rysunek 11G).</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Pomiary
	<ol>
		<li>Zamontuj próbkę na uchwycie próbki za pomocą i umieść uchwyt próbki w komorze próżniowej (komorze na próbkę).</li>
		<li>Uszczelnij komorę próżniową pokrywą i włącz pompę rotacyjną, aby opróżnić komorę, aż poziom próżni spadnie poniżej 1000 Pa. Następnie włącz molekularne pompy turbo, aż komora pistoletu elektronowego osiągnie poziom próżni ~10-6 Pa (zwykle przez ponad 12 godzin).</li>
		<li>Włącz laser Ti:sapphire i wzmacniacz impulsów ćwierkania i stabilizuj je termicznie przez ponad 1 godzinę. Eksperymentalny układ czasowo-rozdzielczej dyfrakcji elektronów jest przedstawiony w Rysunek 9. Ustaw częstotliwość powtarzania na 500 Hz.</li>
		<li>Włącz thriller kamery z urządzeniem sprzężonym z ładunkiem (CCD) i schłodzić ją do 10 °C.</li>
		<li>Włączyć zasilanie elektryczne i dostosować napięcie do 75 kV. 
		UWAGA: Prąd upływowy zasilacza nie powinien wykraczać poza zakres 0,1 μA.</li>
		<li>Specjalne nakładanie się. Otwórz zakodowany laboratoryjnie program automatyczny (<silna klasa="xfig">Rysunek 10A) i ustaw czas naświetlania (50 ms). Znajdź pozycję wiązki elektronów z otworkiem wyposażonym w uchwyt próbki za pomocą programu, ustawiając typ Start na Z_overlap dla nakładania się osi Z i Y_overlap oraz naciskając przycisk Start.</li>
		<li>Ustaw wiązkę elektronów w pozycji otworkowej i wyrównaj laser pompy ze światłem odbitym przez pompę przez otwór.</li>
		<li>Zmierz pozycję zerową czasu za pomocą materiału nieorganicznego (Bi2Te3) na uchwycie próbki za pomocą kodowanego laboratoryjnie programu automatycznego (<silna klasa = "xfig" >Rysunek 10B), ustawiając typ startu na Czasowo-rozdzielczy i naciskając przycisk Start. W tym celu należy dostosować fluencję pompy do 2 mJ/cm2.</li>
		<li>Włóż kubek Faradaya do przejścia wiązki elektronów i zmierz fluencję wiązki elektronów za pomocą laboratoryjnie zbudowanego pikoamperomierza i wyreguluj go, obracając regulowany filtr ND na linii sondy. Wyreguluj płynność impulsu pompy, obracając płytkę falową na przewodzie pompy.</li>
		<li>Przesuń do pozycji próbki i ustaw czas naświetlania kamery CCD. Uzyskaj obraz dyfrakcji elektronów za pomocą zakodowanego laboratoryjnie programu automatycznego (<silna klasa = "xfig" >Rysunek 10B), ustawiając typ startu na Pojedynczy i naciskając przycisk Start.</li>
		<li>Włączyć element Peltiera kamery CCD i schłodzić ją do temperatury -20 °C.</li>
		<li>Ustaw krok czasowy i liczbę kroków dla pomiarów z rozdzielczością czasową. Uzyskaj czasowo-rozdzielcze obrazy dyfrakcji elektronów za pomocą automatycznego programu kodowanego laboratoryjnie (Rysunek 10B), ustawiając typ Start na Czasowo-rozdzielczy i naciskając przycisk Start.</li>
		<li>Uzyskaj czasowo rozdzielczy obraz tła z wyłączaniem zasilacza przyspieszenia elektronów za pomocą zakodowanego laboratoryjnie programu automatycznego (<silna klasa = "xfig" >Rysunek 10B), ustawiając typ startu na Czasowo-rozdzielczy i naciskając przycisk Start.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Kluczowym etapem procesu podczas pomiarów dyfrakcji elektronów w czasie jest utrzymanie wysokiego napięcia (75 keV) bez wahań prądu, ponieważ odległość między fotokatodą a płytką anodową wynosi tylko ~10 mm. Jeśli prąd waha się powyżej zakresu 0,1 μA przed lub w trakcie eksperymentów, zwiększ napięcie przyspieszenia do 90 keV do rozładowania i ustaw je ponownie na 75 keV. Ten proces kondycjonowania musi być wykonywany do momentu, gdy prąd będzie się wahał w zakresie 0,1 μA. Właściwe zaprojektowanie źródła elektronów o wy...

Ciekłe kryształy (LCs) mają różnorodne funkcje i są szeroko stosowane w zastosowaniach naukowych i technologicznych1,2,3,4,5,6. Zachowanie LC można przypisać ich uporządkowaniu orientacyjnemu, a także wysokiej ruchliwości ich cząsteczek. Struktura molekularna materiałów LC charakteryzuje się zazwyczaj mezogennym rdzeniem i długimi elastycznymi łańcuchami węglowymi, które zapewniają wysoką ruchliwość cząsteczek LC. Pod bodźcami zewnętrznymi7,8,9,10,11,12,13,14,15, takie jak światło, pola elektryczne, zmiany temperatury lub ciśnienie mechaniczne, małe ruchy wewnątrz- i międzycząsteczkowe cząsteczek LC powoduje drastyczne przeorganizowanie strukturalne w systemie, co prowadzi do jego funkcjonalnego zachowania. Aby zrozumieć funkcje materiałów LC, ważne jest określenie struktury skali molekularnej w fazie LC i zidentyfikowanie kluczowych ruchów konformacji molekularnych i deformacji upakowania.
Dyfrakcja rentgenowska (XRD) jest powszechnie stosowana jako potężne narzędzie do określania struktur materiałów LC16,17,18. Jednak wzór dyfrakcyjny pochodzący z funkcjonalnego rdzenia reagującego na bodźce jest często ukryty przez szeroki wzór halo z długich łańcuchów węglowych. Skutecznym rozwiązaniem tego problemu jest analiza dyfrakcji czasowo-rozdzielczej, która umożliwia bezpośrednie obserwacje dynamiki molekularnej za pomocą fotowzbudzenia. Technika ta pozwala na ekstrakcję informacji strukturalnych o światłoczułym ugrupowaniu aromatycznym przy użyciu różnic między wzorami dyfrakcyjnymi uzyskanymi przed i po fotowzbudzeniu. Różnice te umożliwiają zarówno usunięcie szumu tła, jak i bezpośrednią obserwację zmian strukturalnych, które są przedmiotem zainteresowania. Analizy różnicowych wzorców dyfrakcyjnych ujawniają modulowane sygnały z samej grupy fotoaktywnej, wykluczając w ten sposób szkodliwą dyfrakcję z niereagujących na światło łańcuchów węglowych. Opis tej metody analizy dyfrakcji różnicowej znajduje się w Hada, M. et al19.
Pomiary dyfrakcji czasowo-rozdzielczej mogą dostarczyć informacji strukturalnych na temat przegrupowań atomowych, które zachodzą podczas przemiany fazowej w materiałach20,21,22,23,24,25,26,27,28,29 i reakcje chemiczne między cząsteczkami30,31,32,33,34. Mając na uwadze te zastosowania, poczyniono niezwykłe postępy w rozwoju ultrajasnych i ultrakrótkopulsacyjnych promieni rentgenowskich35,36 i electron37,38,39,40 sources. Jednak dyfrakcja czasowo-rozdzielcza została zastosowana tylko do prostych, izolowanych cząsteczek lub do mono- lub polikryształów, w których wysoce uporządkowane nieorganiczne sieci lub cząsteczki organiczne wytwarzają dobrze rozdzielcze wzory dyfrakcyjne dostarczające informacji strukturalnych. Z kolei ultraszybkie analizy strukturalne bardziej złożonych materiałów miękkich były utrudnione ze względu na ich mniej uporządkowane fazy. W tym badaniu demonstrujemy zastosowanie dyfrakcji elektronów w czasie, a także spektroskopii absorpcji przejściowej i czasowo-rozdzielczej spektroskopii wibracyjnej w podczerwieni (IR) w celu scharakteryzowania dynamiki strukturalnej fotoaktywnych materiałów LC przy użyciu tej metodologii ekstrahowanej dyfrakcyjnie<klasa sup = "xref">19.

<table><tbody><tr><td>Wzmacniacz impulsów ćwierkających</td><td>Spectra Physics Inc.</td><td>Spitfire ACE</td><td>Do czasowo-rozdzielczej spektroskopii drgań w podczerwieni</td></tr><tr><td>Wzmacniacz impulsów ćwierkających&nbsp;</td><td>Spectra Physics Inc.</td><td>Spitfire XP</td><td>Do dyfraktometrii elektronów czasowo-rozdzielczych</td></tr><tr><td>Laser femtosekundowy</td><td>Spectra Physics Inc.</td><td>Tsunami</td><td>Do czasowo-rozdzielczej spektroskopii wibracyjnej w podczerwieni</td></tr><tr><td>Laser femtosekundowy</td><td>Spectra Physics Inc.</td><td>Tsunami</td><td>Do czasowo-rozdzielczej dyfraktometrii elektronowej</td></tr><tr><td>Optyczny wzmacniacz parametryczny</td><td>Light Conversion Ltd.</td><td>TOPAS prime</td><td></td></tr><tr><td>64-kanałowy detektor podczerwieni rtęciowo-kadmowo-tellurowy</td><td>Korporacja Rozwoju Systemów Podczerwieni</td><td>Spektrometr FT-IR FPAS-6416-D</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Shimadzu Corporation</td><td>IR Prestige-21</td><td></td></tr><tr><td>Zasilanie wysokiego napięcia</td><td>Matsusada precyzja</td><td>HER-100N0.1</td><td></td></tr><tr><td>Pompa rotacyjna</td><td>Edwards</td><td>RV12</td><td></td></tr><tr><td>Turbosprężarka molekularna pompy</td><td>Agilent Technologies Japan, Ltd.</td><td>Twis Torr 304FS</td><td></td></tr><tr><td>Wakuometry</td><td>Systemy próżniowe Pfeiffer gmbh</td><td>PKR251</td><td>Do kołnierza ICF70</td></tr><tr><td>Monitory próżniowe</td><td>Systemy próżniowe Pfeiffer gmbh</td><td>TPG261</td><td></td></tr><tr><td>Kamera CCD sprzężona światłowodem</td><td>Andor Technology Ltd.</td><td>Podłoża iKon-L HF</td><td></td></tr><tr><td>BaF2 i CaF2</td><td>Optyka</td><td></td> mola <td>Grubość 3 mm</td></tr><tr><td>Kryształ AgGaS2</td><td>Phototechnica Corporation</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Kryształy BBO</td> na zamówienie <td>Tokyo Instruments, Inc.</td><td></td><td>SHG &theta;=29,2 stopnia THG &theta;=44,3 stopnia</td></tr><tr><td>kryształy kalcytu</td><td>Tokyo Instruments, Inc.</td><td></td><td>Grubość 1mm</td></tr><tr><td>Lustra optyczne</td><td>Thorlabs</td><td>PF10-03-F01 PF10-03-M01 UM10-45A</td><td>Lustra płaszczowe Al Lusterka Au Ultraszybkie lustra</td></tr><tr><td>Lustra optyczne</td><td>HIKARI, Inc.</td><td></td><td>Lustra szerokopasmowe Lustra</td></tr><tr><td>dichroiczne</td><td>HIKARI, Inc.</td><td></td><td>Na zamówienie Odbicie: 266 nm Transmisja: 400, 800 nm</td></tr><tr><td>Chopper</td><td></td>optyczny <td>Newport Corporation</td><td>3501</td></tr><tr><td>Migawki optyczne</td><td>Thorlabs Inc.</td><td>SH05/M SC10</td><td></td></tr><tr><td>Migawki optyczne</td><td>SURUGA SEIKI CO., LTD.</td><td>F116-1</td><td></td></tr><tr><td>Rozdzielacze wiązki</td><td>Thorlabs Inc.</td><td>Soczewki BSS11R</td><td></td></tr><tr><td>z topionej krzemionki</td><td>Thorlabs Inc.</td><td>LA4663 Obiektyw LA4184</td><td></td></tr><tr><td>BaF2</td><td>Thorlabs Inc.</td><td>LA0606-E</td><td></td></tr><tr><td>Lustra polaryzacyjne</td><td>Sigmakoki Co., Ltd</td><td></td><td>Zamówienie na zamówienie Zaprojektowany dla 800 nm Odbicie: światło spolaryzowane s Transmisja: światło spolaryzowane</td></tr><tr><td>Half waveplate</td><td>Thorlabs Inc.</td><td>WPH05M-808</td><td></td></tr><tr><td>Mocowania lusterek</td><td>Thorlabs Inc.</td><td>POLARIS-K1 KM100</td><td>Mocowania lusterek kinematycznych</td></tr><tr><td>Mocowania lusterek</td><td>Sigmakoki Co., Ltd</td><td>MHAN-30M MHAN-30S</td><td>Mocowania lusterek gimbalowych</td></tr><tr><td>Mocowania lusterek</td><td>Newport Corporation</td><td>ACG-3K-NL</td><td>Mocowania lusterek gimbalowych</td></tr><tr><td>Filtry o zmiennej ND</td><td>Thorlabs Inc.</td><td>NDC-25C-2M</td><td></td></tr><tr><td>Mocowania rozdzielacza wiązki</td><td>Thorlabs Inc.</td><td>KM100S</td><td></td></tr><tr><td>Mocowania obiektywów</td><td>Thorlabs Inc.</td><td>LMR1/M</td><td></td></tr><tr><td>Montaże obrotowe</td><td>Thorlabs Inc.</td><td>Retroreflektor RSP1/M</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Edmund Optyka</td><td>63,5MM X 30" EN-AL&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>spektrometry</td><td>oceaniczne fotonika</td><td>USB-4000</td><td></td></tr><tr><td>Miernik mocy</td><td>Ophir</td><td>30A-SH</td><td>Używany do monitorowania intensywności miernika mocy CPA</td></tr><tr><td></td><td>Thorlabs Inc.</td><td>S120VC PM100USB</td><td>Służy do pomiarów intensywności impulsów pompy</td></tr><tr><td>Fotodiody</td><td>Thorlabs Inc.</td><td>DET36A/M DET25K/M</td><td></td></tr><tr><td>Zasilacz prądu stałego</td><td>TEXIO</td><td>PW18-1.8AQ</td><td>Używany do soczewki magnetycznej</td></tr><tr><td>Soczewka magnetyczna</td><td>Nissei ETC Co., Ltd</td><td></td><td>Etapy na zamówienie</td></tr><tr><td></td><td>Newport Corporation</td><td>M-MVN80V6 LTAHLPPV6</td><td>Używany do soczewek magnetycznych</td></tr><tr><td>Stage kontroler</td><td>Newport Corporation</td><td>SMC100</td><td></td></tr><tr><td>Stages& nbsp;</td><td>Sigmakoki Co., Ltd</td><td>SGSP20-35 (X) SGSP20-85 (X)</td> <td>Używany do pozycji próbki</td></tr><tr><td>Stages&nbsp;</td><td>Sigmakoki Co., Ltd</td><td>SGSP26-200 (X) OSMS26-300 (X)</td> <td>Używany do generatora czasu opóźnienia</td></tr><tr><td>Kontroler stopnia</td><td>Sigmakoki Co., Ltd</td><td>SHOT-304GS</td><td></td></tr><tr><td>Pikoameromierz</td><td></td><td></td><td>Laboratoryjna</td></tr><tr><td>powlekarka</td><td>wirowa MIKASA Co., Ltd</td><td>1H-D7</td><td></td></tr><tr><td>płyta grzejna</td><td>IKA&reg; &nbsp;</td><td>C-MAG HP7</td><td></td></tr><tr><td>Wafel SiN</td><td>Silson Ltd</td><td></td><td>Roztwór</td></tr><tr><td>wodny KOH na zamówienie (50%)</td><td>Hiroshima Wako Co., Ltd.</td><td>168-20455</td><td></td></tr><tr><td>Chloroform</td><td>Hiroszima Wako Co., Ltd.</td><td>038-18495</td><td></td></tr><tr><td>Dichlorometan</td><td>Hiroszima Wako Co., Ltd.</td><td>132-02456</td><td></td></tr><tr><td>Komputery osobiste do programów sterujących</td><td>Epson</td><td>Corporate Endeavor MR7300E-L</td><td>32-bitowy system operacyjny</td></tr><tr><td>Program do sterowania sprzętem</td><td>National Instruments Corporation</td><td>Labview2016</td><td></td></tr><tr><td>Program do analizy danych</td><td>The MathWorks, Inc.</td><td>Matlab2015b (angielski)</td><td></td></tr></tbody></table>

nowatorskie techniki obserwacji dynamiki strukturalnej fotoczułych ciekłych kryształów

Novel Techniques for Observing Structural Dynamics of Photoresponsive Liquid Crystals

W tym artykule omawiamy eksperymentalne pomiary cząsteczek w fazie ciekłokrystalicznej (LC) za pomocą czasowo-rozdzielczej spektroskopii oscylacyjnej w podczerwieni (IR) i czasowo-rozdzielczej dyfrakcji elektronów. Faza ciekłokrystaliczna jest ważnym stanem materii, który istnieje między fazą stałą a ciekłą i jest powszechny w układach naturalnych, a także w elektronice organicznej. Ciekłe kryształy są uporządkowane orientacyjnie, ale luźno upakowane, a zatem wewnętrzne konformacje i wyrównania składników molekularnych LC mogą być modyfikowane przez bodźce zewnętrzne. Chociaż zaawansowane techniki dyfrakcji czasowo-rozdzielczej ujawniły pikosekundową dynamikę molekularną monokryształów i polikryształów, bezpośrednie obserwacje struktur upakowania i ultraszybkiej dynamiki miękkich materiałów były utrudnione przez rozmyte wzory dyfrakcyjne. W tym miejscu przedstawiamy czasowo-rozdzielczą spektroskopię oscylacyjną w podczerwieni i dyfraktometrię elektronową w celu uzyskania ultraszybkich migawek kolumnowego materiału LC z fotoaktywnym ugrupowaniem rdzenia. Analizy różnicowo-detekcyjne połączenia czasowo-rozdzielczej spektroskopii oscylacyjnej w podczerwieni i dyfrakcji elektronów są potężnymi narzędziami do charakteryzowania struktur i dynamiki fotoindukowanej miękkich materiałów.

Wybraliśmy szkielet π-COT w kształcie siodła43,44 jako fotoaktywną jednostkę rdzeniową cząsteczki LC, ponieważ tworzy dobrze zdefiniowaną kolumnową strukturę układania i ponieważ oczekuje się, że centralny ośmioczłonowy pierścień COT wykaże fotoindukowaną zmianę konformacyjną w płaską formę dzięki aromatyczności w stanie wzbudzonym19,45. Proces syntezy tego materiału jest ...

Tutaj prezentujemy protokoły analiz detekcji różnicowej czasowo-rozdzielczej spektroskopii oscylacyjnej w podczerwieni i dyfrakcji elektronów, które umożliwiają obserwacje deformacji lokalnych struktur wokół fotowzbudzonych cząsteczek w kolumnowym ciekłym krysztale, dając atomową perspektywę na związek między strukturą a dynamiką tego fotoaktywnego materiału.

Nowatorskie techniki obserwacji dynamiki strukturalnej fotoczułych ciekłych kryształów

We discuss in this article the experimental measurements of the molecules in liquid crystal (LC) phase using the time-resolved infrared (IR) vibrational ...

Ta metoda może pomóc w rozwiązaniu powszechnego problemu w badaniach ciekłych kryształów. Oznacza to, że szczytowy ruch molekularny podczas fotoodpowiedzi nie może być określony konwencjonalnymi metodami. Główną zaletą tych technik jest to, że struktura i ultraszybka dynamika fotowzbudzonego ciekłego kryształu są uzyskiwane zarówno z różnicowego widma IR, jak i różnicowych wzorów dyfrakcji elektronów.Będę demonstrował czasowo-rozdzielczą spektroskopię wibracyjną w podczerwieni. Aby przygotować próbkę fazy roztworu do czasowo-rozdzielczej spektroskopii oscylacyjnej IR, rozpuść 0,025 milimola pi-COT w 25 mililitrach dichlorometanu, aby uzyskać roztwór o stężeniu 1 milimol na litr. Aby przygotować próbkę fazy ciekłokrystalicznej, przykryj podłoże z fluorku wapnia o grubości 3 milimetrów proszkiem pi-COT.Umieść podłoże na gorącej płycie i rozpuść proszek w temperaturze 100 stopni Celsjusza. Wyłącz płytę grzejną i pozwól próbce ostygnąć do temperatury pokojowej. Po przygotowaniu próbki włącz laser tytanowo-szafirowy i ćwierkający wzmacniacz impulsów i pozwól im ustabilizować się termicznie.Ustaw czas trwania impulsu na 120 femtosekund, częstotliwość powtarzania na 500 Hz, a fluencję padania na 1 milidżul na centymetr kwadratowy. Sprawdź moc i stabilność pompy UV oraz impulsy sondy średniej podczerwieni i w razie potrzeby wyrównaj ścieżki optyczne. Schłodzić detektor podczerwieni rtęciowo-kadmowo-tellurowy ciekłym azotem.Ustaw spektrometr w jednej linii ze ścieżką optyczną i skalibruj spektrometr. Następnie zamontuj wafel silikonowy o grubości 1 milimetra na uchwycie próbki jako próbkę testową. Ustaw opóźnienie pompy-sondy na wartość dodatnią.Zoptymalizuj nakładanie się pompy-sondy, regulując lustro kierujące wiązkę pompy do próbki, aby uzyskać maksymalne natężenie sygnału przejściowego. Skonfiguruj skanowanie, zaczynając od minus 100 pikosekund, a kończąc na 1000 pikosencji, z czasem kroku wynoszącym 5 pikosekund. Zeskanuj próbkę testową i zidentyfikuj pozycję czasową, w której zaczyna pojawiać się sygnał przejściowy lub czas zerowy.Następnie, jeśli używasz próbki w fazie roztworu, zamontuj w przyrządzie celę przepływową z okienkami z fluorku baru i rozpocznij pompowanie próbki przez celę przepływową. W przypadku korzystania z próbki w fazie ciekłokrystalicznej, zamontuj próbkę na zmotoryzowanym stoliku, aby umożliwić ciągły ruch położenia plamki lasera na próbce, aby zminimalizować uszkodzenia wywołane laserem. Potwierdź czasową pozycję czasową czasu zerowego za pomocą próbki i ustaw czas rozpoczęcia, zakończenia i kroku.Wybierz katalog dla pliku danych i uruchom proces pobierania danych. Najpierw wytraw i wyczyść płytkę pokrytą azotkiem silikonu, aby uzyskać podłoże z okienkami z azotku silikonu. Umieść podłoże na uchwycie wirowym tak, aby okienka z azotku silikonu były skierowane do góry.Odwiruj podłoże roztworem pi-COT w chloroformie o stężeniu 10 miligramów na mililitr. Umieść wirowanie powlekane podłoże na płycie grzejnej i podgrzej płytę grzejną do 100 stopni Celsjusza, aby stopić pi-COT. Wyłącz płytę grzejną, gdy osiągnie 100 stopni Celsjusza i pozwól próbce ostygnąć na miejscu, aby uzyskać film ciekłokrystaliczny pi-COT.Aby rozpocząć pomiar, zamontuj sample na uchwycie próbki przyrządu. Umieścić uchwyt próbki w komorze próżniowej i zamknąć komorę. Użyj pompy rotacyjnej, aby opróżnić komorę do mniej niż 1000 paskali lub 10 milibarów.Następnie użyj pompy turbomolekularnej, aby opróżnić komorę pistoletu elektronowego do około 10 do minus 6 paskalów. Następnie włącz laser tytanowo-szafirowy i ćwierkający wzmacniacz impulsów i pozwól im ustabilizować się termicznie przez godzinę. Ustaw częstotliwość powtarzania na 500 herców.Włącz agregat chłodniczy kamery CCD i schłodzić urządzenie do 10 stopni Celsjusza. Następnie włącz zasilanie elektryczne i ustaw napięcie na 75 kilowoltów. Otwórz specjalne oprogramowanie do nakładania się i ustaw czas ekspozycji na 50 milisekund.Aby znaleźć pozycję wiązki elektronów sondy, najpierw ustaw typ początku na z-overlap, a następnie kliknij start. Po zakończeniu tego procesu wybierz opcję Y-overlap i ponownie kliknij przycisk Start. Następnie ustaw wiązkę elektronów w pozycji otworkowej uchwytu próbki i wyrównaj laser pompy ze światłem odbitym przez pompę przez otwór.Następnie przełącz się na program dyfrakcji elektronów z rozdzielczością czasową. Ustaw typ rozruchu na czasowo-rozdzielczy, a wpływ pompy na 2 milidżule na centymetr kwadratowy. Kliknij przycisk start, aby zmierzyć pozycję zerową czasu w oparciu o nieorganiczny materiał wzorcowy zamocowany na uchwycie próbki.Następnie włóż kubek Faradaya do ścieżki wiązki elektronów i zmierz fluencję za pomocą pikoamperomierza. Obróć filtr o neutralnej gęstości, aby dostosować fluencję wiązki elektronów do 3 pikoamperów. Dostosuj fluencję impulsów pompy do 1.67 miliwatów, obracając płytkę falową na linii belki pompy.Następnie, w oprogramowaniu do dyfrakcji elektronów z rozdzielczą prędkością, przejdź do pozycji próbki. Ustaw czas ekspozycji kamery CCD na 1 sekundę. Ustaw typ początkowy na pojedynczy i kliknij przycisk start, aby uzyskać statyczny obraz dyfrakcji elektronów.Następnie włącz element Peltiera w kamerze CCD i schłodzić urządzenie do minus 20 stopni Celsjusza. Gdy kamera CCD ostygnie, ustaw liczbę wzorów do zebrania na każdym kroku oraz liczbę kroków dla pomiarów z rozdzielczością czasową. Ustaw typ startu na czasowo-rozdzielczy i kliknij przycisk start, aby zebrać obrazy dyfrakcji elektronów rozdzielczej.Po zakończeniu eksperymentu wyłącz zasilanie przyspieszające elektrony. Zbierz obraz z rozdzielczością czasową w ten sam sposób, aby uzyskać tło. Różnicowe widmo drgań IR ciekłokrystalicznej cienkiej warstwy na bazie pi-COT miało piki odpowiadające trybom rozciągania pierścieni COT i tiazolowych oraz mojadów bifenylowych, które są silnie aktywne w podczerwieni w płaskiej formie T1 pi-COT.Zależna od czasu ewolucja szczytowej intensywności miała falę o liczbie 1338 odwrotnych centymetrów. Jest to zgodne z siodłem, aby potwierdzić płaską zmianę w ciągu 2 pikosekund. Następnie następuje relaksacja do początkowej formy siodła w ciągu 10 do 20 pikosekund dla pojedynczych cząsteczek lub 150 pikosekund dla cząsteczek ułożonych w stos.Piki dyfrakcji elektronów z fotoczułych moyad wyekstrahowano z długiego wzoru zdominowanego przez długie łańcuchy węglowe, poprzez odjęcie początkowego wzoru dyfrakcyjnego od wzoru uzyskanego 500 pikosekund po promieniowaniu impulsem UV. Piki dodatnie i ujemne wskazywały odpowiednio na powstawanie i utratę cech strukturalnych w ciągu 500 pikosekund po napromieniowaniu. Tworzenie się nowej uporządkowanej struktury rozpoczęło się około 200 pikosekund po fotowzbudzeniu, co jest zgodne z relaksacją do początkowej formy siodła w ułożonych w stos cząsteczkach.Utrata kolejności układania pi-pi w skali czasowej 300 pikosekund została przypisana niewielkiej liczbie płaskich konformerów, o żywotności od 300 do 1000 pikosekund, skręconych w celu zminimalizowania przeszkód sterycznych. Po raz pierwszy wpadliśmy na pomysł tej metody, gdy omówiliśmy ciekłe kryształy, które zwykle nie są badane przez czasy dyfrakcji, ponieważ nie zapewniają dobrych wzorów dyfrakcji elektronów. Nasza metodologia pozwala na identyfikację zmian we wzorcach dyfrakcji ciekłokrystalicznej, umożliwiając dostęp do ważnych informacji o strukturze i ultraszybkiej dynamice cząsteczek.Po opanowaniu tych technik można je wykonać w pół dnia, jeśli są wykonywane prawidłowo. Techniki te mogą potencjalnie zostać wykorzystane do uzyskania odpowiedzi na dalsze pytania dotyczące struktury i ultraszybkiej dynamiki bardziej złożonych biomateriałów.

novel-techniques-for-observing-structural-dynamics-photoresponsive

Research

JoVE Journal

Chemistry

Chemia

Informujemy, że limit dyfrakcji konwencjonalnej litografii optycznej może zostać pokonany poprzez wykorzystanie przejść organicznych pochodnych fotochromowych wywołanych przez ich fotoizomeryzację przy niskim natężeniu światła. 1-3 W tym artykule przedstawiono naszą technikę wytwarzania i dwa mechanizmy blokujące, a mianowicie: rozpuszczenie jednego fotoizomeru i utlenianie elektrochemiczne.

Modelowanie za pomocą przejść nasycalnych optycznych - produkcja i charakterystyka

Demonstrujemy przygotowanie elastomerów ciekłokrystalicznych (LCE) na bazie siloksanów i epoksydów oraz nanokompozytów LCE. LCE są charakteryzowane pod względem odkształcenia odwracalnego, uporządkowania ciekłokrystalicznego i sztywności. Jako potencjalne zastosowanie demonstrujemy ich zastosowanie jako substratów reagujących na kształt w niestandardowym urządzeniu do aktywnej hodowli komórek.

Otrzymywanie monodomenowych elastomerów ciekłokrystalicznych i nanokompozytów elastomerów ciekłokrystalicznych

Tutaj wytwarzamy 3D polimerowe mikro/nano struktury, w których zarówno kształt, jak i wyrównanie molekularne mogą być zaprojektowane z dokładnością do skali nanometrowej za pomocą bezpośredniego pisma laserowego. Indukowane światłem odkształcenia kilku typów mikrostruktur elastomerów ciekłokrystalicznych mogą być kontrolowane w skali mikroskopowej.

Siłowniki do oświetlenia o dowolnym kształcie -- Wytwarzanie i sterowanie uruchamianiem w skali mikroskopowej

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.

Przejście orientacyjne w ciekłym krysztale wywołane termodynamicznym wzrostem międzyfazowych arkuszy zwilżających

Przedstawiono protokół analizy żeli utworzonych z optoelektronicznego sprzężonego polimeru poli(3-heksyliofen-2,5-diylu) (P3HT) przy użyciu rozpraszania neutronów pod małym i ultramałym kątem zarówno w obecności jak i bez oświetlenia.

Monitorowanie wpływu oświetlenia na strukturę sprzężonych żeli polimerowych z wykorzystaniem rozpraszania neutronów

Celem protokołu jest stworzenie ciekłokrystalicznych warstw polimerowych, które mogą mechanicznie oscylować pod wpływem ciągłego promieniowania światłem. Szczegółowo opisujemy koncepcję folii wolnostojących, od metody wyrównywania ciekłokrystalicznego po fotoaktywację. Protokół eksperymentalny zastosowany do przygotowania tego materiału ma szerokie zastosowanie.

Przygotowanie sieci ciekłokrystalicznych do makroskopowych ruchów oscylacyjnych indukowanych światłem

Ten artykuł opisuje proces mikroprzepływowy i parametry przygotowania cząstek uruchamiających z elastomerów ciekłokrystalicznych. Proces ten pozwala na przygotowanie cząstek uruchamiających oraz zmianę ich wielkości i kształtu (od spłaszczonej do silnie prolate, morfologii rdzeń-powłoka i janus), a także wielkość aktywacji.

Przygotowanie mikroprzepływowe siłowników z elastomeru ciekłokrystalicznego

W tym raporcie prezentujemy protokół do badania bezpośrednich efektów magnetoelektrycznych, tj. indukcji polaryzacji ferroelektrycznej poprzez zastosowanie pól magnetycznych w ciekłych kryształach. Protokół ten zapewnia unikalne podejście, wspierane przez miękkość ciekłych kryształów, w celu uzyskania magnetoelektryków w temperaturze pokojowej.

Pomiar magnetycznie dostrojonej polaryzacji ferroelektrycznej w ciekłych kryształach

Przedstawiono protokół produkcji odblaskowego cholesterycznego, ciekłokrystalicznego urządzenia wyświetlającego, zawierającego chiralną domieszkę reagującą na redoks, umożliwiającą szybką i niskonapięciową pracę.

Elektrochemiczne cholesteryczne urządzenie ciekłokrystaliczne do szybkiej i niskonapięciowej modulacji koloru

Ten protokół demonstruje przygotowanie materiału fotoreologicznego, który wykazuje fazę stałą, różne fazy ciekłokrystaliczne i izotropową fazę ciekłą poprzez zwiększenie temperatury. Przedstawiono metody pomiaru zależności struktura-lepkosprężystość materiału.

Wysoki kontrast i szybkie przełączanie fotoreologiczne nematycznego ciekłego kryształu typu twist-bend

Artykuł skupia się przede wszystkim na połączonej mocy metod optycznych (liniowych i nieliniowych) oraz holograficznych używanych do ujawniania zjawisk w nanoskali. Wyniki uzyskane z badań biofotonicznych i oscylacyjnych reakcji chemicznych są podane jako reprezentatywne przykłady, podkreślające zdolność holografii do ujawniania dynamiki w nanoskali.

Odkrywanie ukrytej dynamiki naturalnych struktur fotonicznych za pomocą obrazowania holograficznego

Poznaj nowatorskie techniki obserwacji dynamiki strukturalnej fotoczułych ciekłych kryształów przy użyciu spektroskopii wibracyjnej IR i dyfrakcji elektronowej. Metody te umożliwiają badanie ultrafastowych zmian molekularnych.

Nowatorskie techniki obserwacji dynamiki strukturalnej fotoczułych ciekłych kryształów

Przeglądaj więcej filmów