Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

לעומת זאת, מיתוג החלפת כיפוף מהיר של גביש נוזלי

Published: October 31, 2019 doi: 10.3791/60433
Automatic Translation
1, 2, 3, 3, 3, 1, 4, 2
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

Summary

פרוטוקול זה ממחיש את הכנת החומר הפוטולוגי המוצגים בשלב מוצק, שלבים שונים של גבישי נוזלים, ושלב נוזלי איזוטרופי על ידי הגדלת הטמפרטורה. הוצגו כאן הם שיטות למדידת מבנה-מערכת היחסים אלסטיות של החומר.

Abstract

חומר גמיש למדידת חומרים גמישים המגיבים לגירויים ספציפיים הם אחד מהשיעורים האטרקטיביים ביותר של חומרים החשובים לטכנולוגיות עתידיות, כגון טכנולוגיות הדבקה על פי דרישה, מפעילים, מצמדים מולקולריים ומאסה ננו/מיקרוסקופיים. ובילי. לאחרונה נמצא כי באמצעות מעבר מיוחד נוזלי מוצק, מאפיינים rheological יכול להפגין שינויים משמעותיים, ובכך לספק מתאימים חכם החומר גמיש למדידת חומרים גמישים. עם זאת, עיצוב חומרים עם רכוש כזה הוא מורכב, וזמני החלפת קדימה ואחורה הם בדרך כלל ארוך. לכן, חשוב לחקור מנגנוני עבודה חדשים כדי להגשים מעברים מוצקים לנוזלים, לקצר את זמן המעבר, ולשפר את הניגודיות של מאפייני הרטיאולוגיים במהלך המעבר. כאן, מעבר בשלב האור המושרה הקריסטל-נוזל הוא נצפתה, אשר מאופיין באמצעות מיקרוסקופ אור (פום), photorheometry, צילום הדיפרנציאל המוח סריקה (צילום DSC), ו-X-ray עקיפה (XRD). מעבר הפאזה האנטי-נוזלי של האור מציג תכונות מפתח כגון (1) מיתוג מהיר של שלבים מסוג גביש-נוזלי עבור תגובות קדימה ואחורה ו (2) יחס ניגודיות גבוה של גמישות ויסקוזה. ב אפיון, פום הוא יתרון במתן מידע על התפלגות מרחבית של כיווני מולקולה LC, קביעת סוג של שלבים גבישי נוזלי המופיעים בחומר, ולימוד הכיוון של LCs. פוטורומטריה מאפשר מדידה של תכונות מרטיאוולוגיות של חומר תחת גירויים בהירים ויכולים לחשוף את מאפייני המיתוג הפוטולוגיים של חומרים. Photo-DSC היא טכניקה לחקירת מידע תרמודינמי של חומרים באפלה ותחת הקרנה קלה. לבסוף, XRD מאפשר לימוד של מבנים מיקרוסקופיים של חומרים. המטרה של מאמר זה היא להציג באופן ברור כיצד להכין ולמדוד את המאפיינים הנדונים של חומר פוטטורוולוגי.

Introduction

חומרים מכניים חכמים עם יכולת לשנות את התכונות שלהם אלסטי וגמיש בתגובה וריאציה סביבתית יצרו עניין עצום בקרב החוקרים. יכולת החלוקה נחשבת לגורם החומרי החשוב ביותר, המציע את החוסן של תגובה מכנית חוזרת באורגניזמים חיים. עד היום, חומרים מלאכותיים עם פונקציות רב-תכליתי עוצבו על ידי שימוש בחומר רך (כלומר, הידרו-ג'ל הידראולי1,2,3, פולימרים4,5, 6,7,8,9,10,11, קריסטלים נוזליים [lcs]9,10,11, 12,13,14,15,16,17, pH-להגיב מיקרולים18,19,20 ,21,22, ו מפעילי חומרים23). עם זאת, חומרים אלה סובלים מיותר מאחת מהבעיות הבאות: חוסר ההיחדות, יחס ניגודיות נמוך של מיתוג של גמישות והאטה, מהירות המעבר הנמוכה וקצב מיתוג איטי. בחומרים קונבנציונליים, העסקה קיימת בין יחס ניגודיות המעבר של גמישות ומהירות מיתוג; כך, עיצוב חומרים המכסים את כל הקריטריונים האלה עם ביצועים גבוהים הוא מאתגר. כדי להגשים את החומרים עם היכולת המוזכרת לעיל, בחירה או עיצוב מולקולות הנושאות את האופי מתהווה של נזילות גבוהה (רכוש צמיגה) ו קשיחות (המאפיין אלסטי) הוא חיוני.

גבישים נוזליים הם מערכות אידיאליות עם מספר רב של קריסטלים נוזליים ושלבים מוצקים שניתן לכוונן באמצעות עיצוב מולקולרי. הדבר מאפשר למבנים המורכבים באופן עצמאי בקשקשים באורך שונים בשלבים מסוימים של LC. לדוגמה, בעוד התערוכה הגבוהה ביותר בסימטריה מרחבית (NLCs) מציגה צמיגות ואלסטיות נמוכות בשל הסדר המרחבי הקצר שלהם, טורי סימטריה נמוכה או smectic LCs מציגים צמיגות גבוהה ואלסטיות עקב טווח ארוך ותלת מימדי . מרבית הערים הוא צפוי כי אם ניתן להחליף חומרים LC בין שני שלבים עם הבדלים גדולים בתכונות האלסטיות שלהם וגמיש, לאחר מכן ניתן להשיג חומר חכם וגמיש עם ביצועים גבוהים. כמה דוגמאות דווחו9,10,11,12,13,14,15.

מאמר זה ממחיש את הכנת החומר הפוטורולוגי LC עם רצף פאזה של איזוטרופי (I)-nematic (N)-טוויסט-עיקול nematic (TB)24-קריסטל (Cry) על קירור (ולהיפך על חימום), אשר מוצגים מהיר והפיך החלפת מיתוג גמיש בתגובה לאור. המוצגים כאן הם שיטות למדידת גמישות ומדידת והמחשה של מבנה מיקרוסקופיים-מערכת יחסים אלסטיות. פרטים מתוארים בתוצאות הנציגים ובמקטעי הדיון.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. הכנת שפשוף משטחים עבור יישור מולקולות LC בתוכנית

  1. הכינו מצעים מזכוכית נקייה.
    1. לגזור מצעים זכוכית באמצעות חותך זכוכית מבוססי יהלום (טבלה של חומרים) לחתיכות ריבוע קטן עם ממוצע גדלים של 1 ס מ x 1 ס מ. לשטוף אותם על ידי sonication ב 38 khz או 42 khz בחומר ניקוי אלקליין (טבלת חומרים, מדולל במים ב ניקוי: נפח מים יחס של 1:3) ולשטוף עם מים מזוקקים שוב ושוב (בדרך כלל, יותר מ 10x עם 5 דקות של sonication עבור כל שטיפה).
    2. נושא מצעים כדי אולטרה סגול-אוזון (UV-O3) ניקוי (טבלת חומרים) עבור יותר מ 10 דקות.
  2. מעיל יישור שכבה מישורי על מצעים זכוכית נקייה.
    1. טפטוף 20 μL של 1 מ ל של פתרון יישור מישורי פוליאימיד (טבלת חומרים, המשמש כהוא) עם פיפטה על מצעים זכוכית מנוקה. מיד ספין-מעיל הפתרון, באמצעות משטח ספין (טבלה של חומרים) ב 3,000 סל ד וטמפרטורת החדר (RT) עבור 70 s.
      הערה: העובי האופייני של שכבת היישור הוא כ-20 ננומטר.
    2. אופים את מצעים זכוכית מצופה ב 80 ° c עבור 60 דקות כדי להסיר את הממס ו ב 180 ° צ' עבור > 60 דקות לריפוי. שפשף את מצעים באמצעות מכונת לשפשף בד מחוז (הטבלה של חומרים) עם הפרמטרים הבאים: מהירות הסיבוב = 300 rpm, צלחת מהירות = 20 מ"מ/s, ואת הרושם = 0.3 מ"מ כדי להגשים את היישור הuniaxial של חומרים LC.

2. הכנת תאים LC

  1. מניחים מצע זכוכית מצופה עם שכבת היישור על מצע אחר, עם שכבות יישור פנים אל פנים, ולהבטיח כי הם 80% חופפים לטופס תא.
    הערה: 20% משטחים שאינם חופפים יש להשתמש כדי להציג חומרים LC לתוך התא.
  2. מקום 100 μL של דבק פוטוטוריאקטיבי (טבלת חומרים) ו 0.1 מ"ג של חלקיקי זכוכית בגודל מיקרומטר (קוטר = 5 μm) על מצע זכוכית נקייה ולערבב אותם באופן ידני באמצעות קצה של אטב נייר. הזיזו את החומר המעורב לארבע פינות התא כדי לכוונן את הפער התאים והאירים את התא באמצעות אדי כספית בלחץ נמוך מנורת קשת קצרה (טבלת חומרים) עם אורך גל של 365 ננומטר (1.1 W/cm2). מניחים את התא תחת מנורת LED במרחק של 1 ס מ עבור 5 דקות.
  3. לאחר התאורה, למקם את התא על הבמה חם ולקבוע את טמפרטורת היעד של הבמה כדי לחמם את התא לטמפרטורה מעל הנוזל איזוטרופי (I)-nematic (N) מעבר פאזה (בדרך כלל ב 160 ° c). העבר את החומר LC (1-[4-butoxyazobenzene-4'-yloxy]-6-[...) הקסאן-4 CB6OABOBu; 0.2-10.0 μL) אל משטח פתוח אחד של התא ודחפו את החומרים לכיוון הכניסה לתא באמצעות מיקרומרית כדי לקבל קשר בין חומר ה-LC לכניסה לתא. המתן החומרים LC להתמלא בתא על ידי כוח קפילר.
    הערה: CB6OABOBu יש רצף פאזה: לבכות 100.3 ° c TB 105.2 ° צ' N 151.7 ° צ' אני על החימום ואני 151.4 מ104.5 עלות צלזיוס, במרחק של ° צלזיוס, במרחק של כ-º c, לבכות על צינון. אין להחדיר CB6OABOBu לשלב או לשחפת של N מכיוון שיישור המושרה בזרימה מקודם.

3. אפיון מרקם בעזרת מיקרוסקופ אופטי מפולע

  1. לראות את התאים LC ממוקם על הבמה חם כדי לשלוט על הטמפרטורה לדוגמה (40-180 ° c) עם ± 0.1 K דיוק תחת מיקרוסקופ אור הקיטוב (פום, טבלה של חומרים) באמצעות עדשות היעד 4x-100x. הקלטת טקסטורות באמצעות מצלמת צבע דיגיטלית באופן רציף בזמן הקירור והחימום.
  2. השתמש ב-UV אפינפרין-המאייר (טבלת חומרים) מצויד ב-פום עם אורך גל של 365 ננומטר (50 mW/cm2).

4. מדידות פוטוהיולוגית

  1. . הכן מדידות רטיולוגית
    1. לפני הצבת כל מדגם על הבמה של rheometer (טבלת חומרים), לבצע כיול האינרציה הגיאומטריה אפס פער כיול נשלט על ידי תוכנה על פי הוראות היצרן כדי להבטיח דיוק של המחקר rheometer . שוקלים 250 מ"ג של דגימת אבקת CB6OABOBu ולטעון אותו על צלחת קוורץ הבסיס של rheometer.
      הערה: עבור המחקר הנוכחי, צלחת עם קוטר של 50 mm משמש.
    2. הגדר את הטמפרטורה של חדר הדגימה לערך מעל נקודת המעבר של שלב I-N (> 160 ° c). להגדיר ערך הפער להתקרב צלחת מדידה לוחית קוורץ הבסיס כדי סנדוויץ ' (ערך הפער אופייני בשימוש = 20 μm). חיתוך מדגם עודף (לדוגמה, באמצעות מגבונים לנייר) הנמצא מחוץ לפער כאשר לוחית המדידה עוצרת בתנוחת הקיצוץ, שהיא 25 יקרומטר מעל לפער המיועד.
      הערה: אל תאפשר כמות עודפת של CB6OABOBu להיות מוצג לחדר המדגם, מכיוון שפעולה זו הופכת את המידות לאינן מדויקות.
  2. לבצע מדידות rheological.
    1. הקרינה אור UV ב 365 nm (1-100 mW/cm2), מדידת מיתוג photorheological של CB6OABOBu באמצעות אדי הלחץ הגבוה מרקורי מנורה קשת קצרה.
      הערה: האור יונחה מתחת למיכל הדגימה דרך לוחית הקוורץ הבסיסית.
    2. בצע מדידות ב 1) מצב מנדנוד עבור חילוץ דינמי שחזור מידע של החומר ו 2) מצב הסיבוב יציב לקבלת צמיגות הסיבוב יעיל. למדידות במצב סיבוב, יש להחיל מאמץ הטיה קבוע של 13 הרשות הפלסטינית על מנת להבטיח כי המדידה נעשתה במשטר הניוטוני.
      הערה: בחירת המצבים מבוצעת על-ידי תוכנה לפי הוראות היצרן.

5. תמונה-סריקת הקלורימטריה

  1. שוקל 10 מ"ג של CB6OABOBu לדגימת אבקה ולטעון אותו לתוך מחבת לסריקת זהב (DSC). לחמם את המדגם 170 ° c בשלב isotropic ולהבטיח כי אין התפלגות לדוגמה הומוגנית במחבת DSC כפי שנצפתה על ידי העין בלתי. מכסים את התבנית DSC עם לוחית קוורץ.
  2. בצע מדידות פוטו-DSC לפי הוראות היצרן (טבלת חומרים). מדידת נתוני DSC בסריקה של 10 ° צ'/מינימום.
    הערה: מכונת צילום-DSC מצויד בעוצמת אור UV של 50 mW/cm2.

6. אפיון עקיפה של קרני רנטגן

  1. לחמם את האבקה CB6OABOBu לדוגמה באמצעות השלב החם ב 170 ° c ולמצוץ את המדגם לתוך נימי XRD (קוטר = 0.5 מ"מ) על ידי כוח קפילר.
  2. חברו את הקפילר לבעל מדגם המצויד בבקר טמפרטורה. הגדר את טמפרטורת החדר (60 ° c, 70 ° c, 80 ° צ', 90 ° c, 100 ° c, 110 ° c, 120 ° c, 130 ° c, 140 ° c, 150 ° c, 160 ° c, מעלות צלזיוס, במרחק של כ-2.5 ° c).
  3. להקרין את המדגם על ידי X-ray ולזהות את קרני רנטגן הפצת על ידי גלאי ללא הקרנה UV ו תחת עוצמת אור UV של 10 mW/cm2 עבור 1 דקות ו 10 דקות.
    הערה: המחקר הנוכחי נערך ב-RIKEN beamline BL45XU. מקור האור היה התקן ה-קפיץ הסטנדרטי של האביב-8. חנקן נוזלי מקורר Si כפול גביש monochromator היה שימש monochromatize הקרן. אורך הגל היה 1 Å.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

התמונות פום, הנתונים הפוטומטרים, צילום-DSC נתונים, ופרופילים בעוצמה XRD נאספו בחשכה במהלך וריאציה הטמפרטורה בעוד אור UV זורחת. איור 1א, ב מייצג את המבנה של CB6OABOBu, עם רצף הפאזה שלה ותצורות אפשריות ממוטבת על ידי שדה הכוח MM2 בתוכנית הדוגמנות (למשל, ChemBio3D).

כאשר CB6OABOBu נמצאת במצב טרנס, שתי מדינות בעלי מבנה מתקבל על האנרגיה מופיעות, והקונפורמציה המעוותת היא היציבה ביותר המעודדת את היווצרות השלב של שחפת. כאשר CB6OABOBu מתרגש למצב cis כאשר הם חשופים לאור UV, מתממש הקונפורמציה. למרות אופטימיזציה הנוכחי מיטוב שנעשו על ידי תוכנית הדוגמנות היא שימושית לקביעת היווצרות של מולקולה אחת, זה לא יכול לשמש להדמיית מצב של מולקולות מרובות האינטראקציה, או אפילו עבור הרכבות העצמיות של אשכולות מולקולריים גדולים יותר.

איור 1ג, d מציג את טקסטורות פום באפילה ומתחת 30 mW ס"מ על2 UV irradiance זוהר, במהלך הקירור של המדגם 2 μm-עבה תא LC עם יישור מישורי שפשוף אחיד. בשלב N, יישור חד-פאזי של מולקולות מתממש (איור 1ג, למעלה). כאשר הפחתת הטמפרטורה לשחפת בחשכה, צורות דפוס פסים, שבו הפסים לרוץ במקביל לכיוון לשפשף של תא LC (איור 1ג, אמצע). תבנית פסים זו מתעוררת כתוצאה מאי-יציבות של הקריסה והיא מוכרת כסמל לשלב השחפת, שדווחה לראשונה על-ידי Panov etal. ירידה נוספת של הטמפרטורה מובילה התגבשות (איור 1ג, למטה). הקרנה של אור UV משנה היווצרות מן הטראנס למדינה העמים, וכתוצאה מכך וריאציה הפאזה ולכן וריאציה מרקם. אם החל משלב ה-TB, אור UV משנה את המרקם המפוצל למצב התואם היחיד של השלב N (איור 1d, באמצע העליון). כיבוי אור UV מאפשר למולקולות להירגע ולהזין מחדש את מדינה טרנס, ואת המרקם פסים של השלב בשחפת הצורות שוב.

איור 2 מציג את צמיגות האפקטיבית של CB6OABOBu בתנאים שונים הנמדד על ידי rheometer. איור 2a מראה את התלות בטמפרטורה של צמיגות להטות אפקטיבי. הסיבה לקריאה צמיגות נמדד צמיגות ההטיה האפקטיבית היא כי המרכיבים האמיתיים של צמיגות בגבישים נוזליים הם תלויי אוריינטציה, ואת צמיגות נמדד הכיוון בממוצע ערך במחקר הנוכחי. איור 2ב מראה את ההטיה מדגיש את התלות של צמיגות הטיה אפקטיבית בטמפרטורות שונות במהלך הראשון והשני רץ. איור 2ג מציג וריאציה בין צמיגות הטיה אפקטיבית המופעלת על ידי הקרנה UV בטמפרטורות שונות. איור 2d מדגים מיתוג עקומות של צמיגות להטות אפקטיבי בקנה מידה בשני טמפרטורות שונות, (כלומר, אחד בשלב N והשני בשלב TB). התלות בטמפרטורה המפורטת של זמני המעבר מסוכמות בטבלה 1.

איור 3א, ב מראה את הטקסטורות של CB6OABOBu במדגם לא מיושר תחת 50 mW/cm2 קרינת UV ב 80 ° צ' (איור 3א) ואחרי קירור ל 60 ° צ' (איור 3ב). תמונות-DSC של איור 3ג להדגים כי על קירור, i-N שלב מעברים של טרנס-העמים-איזוers שונים. למרות photo-DSC הוא שימושי לגילוי הבדלים בין המדינות כהה-מגורה באור, יש לציין כי צילום-DSC בדרך כלל מקשה על ככמת להשוות את זרימת החום האמיתי של ההבדלים, מאז הבסיס של DSC עקומות משתנה באופן משמעותי עקב ספיגת אור על ידי המדגם ומשטח המתכת של התבנית DSC. איור 3d מדגים כי על החימום, המסת השלב של הגביש של טרנס-העמים-איזורים שונים, כפי שנמדד על ידי DSC קונבנציונאלי. איור 3e, f מראה חלקות עקיפה של xrd בעוצמה התפוצחה כפונקציה של מרווח d ללא ובעזרת הקרנות UV, בהתאמה. ניתן לראות כי האינטנסיביות בכל שיא משתנה באופן דרסטי כאשר אור UV הוא לקרינה, מיוחס בעיקר הטרנספורמציה מבנית גבישי ההיתוך המקומי.

Figure 1
איור 1: המבנה הכימי של CB6OABOBu והאבולוציה של טקסטורות על הקירור. (א) מבנה כימי של CB6OABOBu ורצף הפאזה שלה. (ב) שטח-מודלים מולקולריים של CB6OABOBu אופטימיזציה על ידי שדה הכוח MM2 בתוכנית הדוגמנות. (ג) פום טקסטורות של CB6OABOBu תחת מקטני מוצלב בתא 2 μm-עבה עם יישור מישורי שפשוף אחיד; במהלך הקירור ללא תאורה UV. למעלה: בשלב N ב 140 ° צ'; באמצע: בשלב שחפת בשעה 104 ° c; תחתון: במעבר השלב של TB-Cry. (ד) פום מרקמים ב-90 ° c הממחישות את תהליך החלפת התמונות. למעלה: לפני UV; באמצע: דו-קיום של N ו-TB שלבים זמן קצר לאחר 30 mW/cm2 UV irradiance זוהר ב 365 ננומטר; תחתון: שחפת רגועה מרקם לאחר לכבות את התאורה UV. סרגלי קנה מידה מייצגים 100 μm. נתון זה הותאם באישור איה ואח '26. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 2
איור 2: תכונות רטיולוגית ופוטודינמיקה של מיתוג תמונות של המאפיינים הרטילוגיים של CB6OABOBu. (a) התלות בטמפרטורה של צמיגות ההטיה אפקטיבית נמדד במתח ההטיה קבוע של 13 האבא במצב הסיבוב עם irradiances שונים UV: 0 mW/cm2 (עיגולים אדומים), 32.7 mw/cm2 (עיגולים שחורים), ו 59.6 mW/cm2 (יהלומים כחולים). (ב) צמיגות ההטיה האפקטיבית כפונקציה של הגדלת מתח ההטיה בטמפרטורות נבחרות. עיגולים שחורים מלאים (100 ° c) ויהלומים ממולאים בירוק (102 ° c) הם נתונים הנמדדים בסריקה הראשונה, בעוד עיגולים פתוחים שחורים (100 ° c) ויהלומים פתוחים ירוקים (102 ° c) הם הנתונים הנמדדים בסריקה השנייה. (ג) מיתוג פוטולשחזור של צמיגות הטיה אפקטיבית ב 59.6 mW/cm2 irradiance. ערכים גבוהים ונמוכים בכל טמפרטורה מתאימים ל-UV-OFF ו-UV-ON מדינות. (ד) פוטוהחלפת צמיגות ההטיה האפקטיבית המוצגת בסולם היומן ב-97 ° c בשלב השחפת ו 90 ° c בשלב הזעקה. כחול אדום קווים מוצק עבור השלב TB הם עקומות המתאימים ביותר באמצעות פונקציה מעריכית פשוטה על UV-ON ו-UV-OFF מדינות. עוצמת UV היא 59.6 mW/cm2. דמות זו שונתה והותאמה לרשות איה ואח '26. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 3
איור 3: הוכחה לקיומו של תחומים מיקרו הפרדה עם מבני גביש שונים בשלב הזעקה. (א, ב) פום מרקמים דרך מסנן כחול תחת 50 mW/cm2 UV irradiance בנקודה מתומן של הצורה של הסרעפת הקשתית השדה באמצע (א) 80 ° צ' ו (ב) 60 ° c. (ג) הטמפרטורה תלויים בזרימת החום של המדגם בזמן הקירור בקצב של 10 ° צ'/מינימום ללא uv (נקודות שחורות) ותחת uv (נקודות כחולות). (ד) הטמפרטורה התלויים בזרימת החום של המדגם העשיר ביותר במהלך החימום ב -2 ° צ'/מינימום ו -10 ° צ'/מינימום שיעור (עקומות שחורות וכחולות, בהתאמה) ללא UV, והדגם העשיר של הציס בקצב 2 ° צ' (עיקול אדום). (e, f) המוצג הוא תלות בריווח d של עוצמת העקיפה של קרני רנטגן בזווית רחבה. (f) תצוגה מוגדלת של אזור הערך הקטן של החלונית e. מקווקו כחול, אדום מוצק ושחור קווים ארוכים מקווקווים מציינים את פרופילי העקיפה של קרני רנטגן ללא תאורה UV, תחת 10 mW/cm2 irradiance עבור 1 דקות ו-10 דקות, בהתאמה. פתח משולשים כלפי מעלה ומלא כלפי מטה מראה עליות וירידות בעוצמה התפוצתם של כל פסגה. דמות זו שונתה והותאמה לרשות איה ואח '26. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

כפי שנחשף באיור 1, CB6OABOBu הוא חומר התגובה לתמונה עם I, N, TB, ו-בשלב הזעקה רצפים על הקירור. מאז ההזמנה המקומית של שלבים אלה שונה באופן משמעותי, מיתוג מונחה תמונה של תכונות rheological צפוי להפגין ניגודיות טובה אלסטי גמיש. כדי לחקור את זה, בוצעו מדידות פוטו-רטיולוגיה.

ראשית, אנו לשקול את הנתונים rheological נמדד בחושך (איור 2a, אדום עיגולים פתוחים). ב-I-N מעבר פאזה, צמיגות אפקטיבית (ηלאחד) פוחתת, המיוחס יישור זרימה המושרה. בשלב N, הצמיגות למעשה אינה תלויה במתח ההטיה, ומציינת התנהגות של נוזלים ניוטונית (איור 2ב'). המעבר לשלב השחפת מביא להגדלת צמיגות ההטיה האפקטיבית בסדר גודל אחד. בהתחשב בכך כי בשלב TB יש מקומי הזמנה nematic אך מוצגים פסאודו שכבה מבנה מקביל ההזמנה smectic, הגידול של צמיגות ההטיה יעיל מיוחס היווצרות של מבנים דמויי שכבה.

בשלב השחפת, הטיית ההטיה חזקה מאוד עם ערכי הסף הברורים כתוצאה מיישור מבנה השכבות המדומה (איור 2ב). לאחר מיצוק של המדגם תוצאות לקפוץ חדה ב ηלהטותIcon (לחץ הטיה אם קצב ההטיה נשמר קבוע) על ידי חמש הזמנות של סדר גודל. הפיזור הגדול של נתוני צמיגות ההטיה בשלב הגביש הוא תוצאה של עמידות גדולה של המדגם המופעל על החרוט המסתובב. המדגם, במשטר זה, הוא מוצק מאופיין על ידי אחסון מודול במקום נוזל מאופיין צמיגות. תוצאות תחת עוצמות UV של 32.7 mW/cm2 ו 59.6 mW/cm2 מוצגים כעיגולים ממולאים שחור יהלומים פתוחים כחולים. שלושה הבדלים עיקריים הם נצפו בין הנתונים הללו, כי נמדד בחושך: 1) להוריד את הטמפרטורות של המעבר, 2) ירידה ηלאחד בכל שלב , ו 3) אין וריאציה צמיגות משמעותית בין מעבר N-TB המקורי טמפרטורה עבור דגימות מוארות, אשר מוסבר על ידי העלמות של השלב TB תחת אור UV.

ברור כי תכונות הרטיולוגית אכן נפרדות באופן משמעותי בשלבים שונים. כדי לבדוק את המיתוג מונחה-תמונות, מדידות רטיולוגית בוצעו על ידי אור UV זוהר על המדגם. איור 2ג ' מגלה כי מיתוג מונחה תמונה עם ערכי ניגודיות שונים בטמפרטורות שונות: כמעט 1 בשלבים i ו-N, 10 בשלב TB, ו-106 בשלב הזעקה. זמני ההחלפה ON ו-OFF הם גם קצרים מאוד (~ 100 s, ON ו-OFF זמני מיתוג המוצגים בטבלה 1) הן בשלבי שחפת וזעקה. זמן המעבר מוגדר כזמן חולף עבור וריאציה של צמיגות יעילה מ 90% כדי 10% מהערך המקורי שלה (זה לפני הקרנה UV). מאחר שהניגודיות בשלבים שונים היא שונה, אין אפשרות להשוות את זמן המעבר בין שלבים שונים. כדאי לציין כי עבור נוזלים מותכת אחרים, השלב הראשוני בגביש משחזרת בתוך כמה שעות עד מספר ימים, מאז צמיגות גבוהה שלהם מונע תגובה לאחור בכמויות גדולות, אפילו בטמפרטורות גבוהות9,14.

כדי לקבוע את הסיבה להיעדר התגררות איטית, נערכו מדידות התבוננות ב-פום, צילום DSC ו-XRD. כמו התמונות של פום בדמות 3 להראות, מבריק UV בשלב הזעקה מפעילה התכה לשלב I ב 80 ° צ' (cis-המדינה עשיר). שמירה על הקרנה UV תוך הפחתת הטמפרטורה גורמת התגבשות של מולקולות מדינת ציס להתרחש בטמפרטורות שונות מאשר אלה של מדינת טרנס. זה מרמז על הפרדה. של טרנס ומדינות העמים נתוני צילום-DSC מעניקים ראיות ישירות לכך. כמו איור 3c, d מראה, חשיפה לאור UV תוצאות בפיצול של פסגות מעבר שלב עבור האני-N (על הקירור) ו גביש ההיתוך (על חימום). אלה מאשרים כי מולקולות טראנס ומדינות המדינה יוצרות מבני פאזה שונים. עד כה, רוב התמונות בחנו liquefactions חב את מקורם הטמפרטורה המושרה התמונה של מעבר זכוכית. לעומת זאת, עבודה זו ממחישה מנגנון העבודה הרומן במימוש מהירה ניזול תהליכים צילום, מלבד כמה תגליות אחרונות27,28.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

. למחברים אין מה לגלות

Acknowledgments

עבודה זו נתמכת על ידי פרויקט המחקר המשותף של ה-JSPS. תמיכה פיננסית ממענקים NKFIH PD 121019 ו-FK 125134 מוכרת.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
21-401-10 AS ONE Microspatula
AL1254 JSR Planar alignment agent for liquid crystals
BX53P Olympus Polarising microscope with transmission/epi-illumination units
Discovery DSC 25P TI instruments Photo-DSC equipment
Glass cutter PRO-1A Sankyo A diamond-based glass cutter
HS82 Mettler Toledo hot stage
MCR502 Anton Paar A commercial rheometer
MRJ-100S EHC Rubbing machine
Norland Optical Adhesive 65, 81 Norland Products Photoreactive adhesions
OmniCure S2000 Excelitas Technologies A commericial high-pressure mercury vapor short arc lamp. Maximum 70 mW/cm^2.
PILATUS 6M Dectris Hybrid photon counting detector for X-ray diffraction dectection
S1126 Matsunami Glass Glass substrate
SC-158H EHC Spin coater
SCAT-20X DKS Alkaline detergent
SLUV-4 AS ONE Low-pressure mercury vapor short arc lamp
UV-208 Technovision Ultraviolet-ozone (UV-O3) cleaner

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

כימיה סוגיה 152 גביש נוזלי טוויסט-לכופף שלב nematic azobenzene צילום-rheology מיצוק-ניזול מיתוג מיקרוסקופ אור מקוטב צילום-משלים סריקה הקלורימטר החלפת קרני רנטגן
לעומת זאת, מיתוג החלפת כיפוף מהיר של גביש נוזלי
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Aya, S., Salamon, P., Paterson, D.… More

Aya, S., Salamon, P., Paterson, D. A., Storey, J. M. D., Imrie, C. T., Araoka, F., Jákli, A., Buka, Á. High-Contrast and Fast Photorheological Switching of a Twist-Bend Nematic Liquid Crystal. J. Vis. Exp. (152), e60433, doi:10.3791/60433 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter