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Artigo de método

Troca fotorologia de alto contraste e rápida de um cristal líquido nematic de curvatura

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DOI:

10.3791/60433

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31 de outubro de 2019

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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

Neste artigo

Resumo

Este protocolo demonstra a preparação de um material fotoreológico que exibe uma fase sólida, várias fases cristalinas líquidas e uma fase líquida isotrópica, aumentando a temperatura. Aqui são apresentados métodos para medir a relação estrutura-viscoelasticidade do material.

Resumo

Materiais viscoelásticos inteligentes que respondem a estímulos específicos são uma das classes mais atraentes de materiais importantes para tecnologias futuras, como tecnologias de adesão switchable demanda, atuadores, embreagens moleculares e massa nano-/microscópica Transportadores. Recentemente verificou-se que através de uma transição sólida-líquido especial, propriedades reológicas podem apresentar mudanças significativas, proporcionando assim materiais viscoelásticos inteligentes adequados. Entretanto, projetar materiais com tal propriedade é complexo, e os tempos de comutação para a frente e para trás são geralmente longos. Portanto, é importante explorar novos mecanismos de trabalho para realizar transições de líquido sólido, encurtar o tempo de comutação e aumentar o contraste de propriedades reológicas durante a mudança. Aqui, observa-se uma transição de fase cristal-líquido induzida pela luz, que se caracteriza por meio de microscopia luminosa polarizadora (POM), fotoreometria, calómetria de digitalização fotodiferencial (foto-DSC) e difração de raios-X (XRD). A transição de fase cristal-líquido induzida pela luz apresenta características-chave, como (1) comutação rápida de fases cristalinas e líquidas para reações para a frente e para trás e (2) uma alta relação de contraste de viscoelasticidade. Na caracterização, a POM é vantajosa ao oferecer informações sobre a distribuição espacial das orientações das moléculas LC, determinar o tipo de fases cristalinas líquidas que aparecem no material e estudar a orientação dos LCs. Photorheometry permite a medição das propriedades reológicas de um material estímulos leves e pode revelar as propriedades de comutação fotoreológicas dos materiais. Photo-DSC é uma técnica para investigar informações termodinâmicas de materiais na escuridão e irradiação de luz. Por fim, a XRD permite o estudo de estruturas microscópicas de materiais. O objetivo deste artigo é apresentar claramente como preparar e medir as propriedades discutidas de um material fotorheológico.

Introdução

Materiais mecânicos inteligentes com a capacidade de mudar suas propriedades viscoelásticas em resposta à variação ambiental geraram um enorme interesse entre os pesquisadores. A comutabilidade é considerada o fator material mais importante, que oferece robustez da resposta mecânica repetitiva em organismos vivos. Até à data, materiais artificiais com funções versáteis foram concebidos apelando à matéria mole (ou seja, hidrogéis fotoresponsivos1,2,3,polímeros4,5, 6,7,8,9,10,11, cristais líquidos [LCs]9,10,11, 12,13,14,15,16,17,micelles pH-responsivo18,19,20 ,21,22,e surfactants23). No entanto, esses materiais sofrem de mais de um dos seguintes problemas: falta de reversibilidade, baixa relação de contraste de comutação de viscoelasticidade, baixa adaptividade e velocidade de comutação lenta. Nos materiais convencionais, existe uma troca entre a relação de contraste de comutação de viscoelasticidade e velocidade de comutação; assim, a concepção de materiais que abrangem todos estes critérios com alto desempenho é um desafio. Realizar materiais com a oniscapacidade acima mencionada, selecionar ou projetar moléculas que carregam naturezas emergentes de alta fluidez (propriedade viscosa) e rigidez (propriedade elástica) é essencial.

Cristais líquidos são sistemas ideais com um número potencialmente grande de fases cristalinas e sólidas líquidas que podem ser afinadas pelo design molecular. Isso permite estruturas auto-montadas em diferentes escalas de comprimento em determinadas fases lc. Por exemplo, enquanto lcs neosos de alta simetria (NLCs) apresentam baixa viscosidade e elasticidade por causa de sua ordem espacial de curto alcance, LCs colunaares ou smíticos de alta simetria mostram alta viscosidade e elasticidade devido a um e bidimensional de longo alcance periodicidades. Espera-se que, se os materiais LC podem ser alternados entre duas fases com grandes diferenças em suas propriedades viscoelásticas, então um material inteligente viscoelástico com alto desempenho pode ser alcançado. Alguns exemplos foram relatados9,10,11,12,13,14,15.

Este artigo demonstra a preparação de um material lc fotorelelógico com uma sequência de fase de isotrópico (I)-nematic (N)-twist-bend nematic (TB)24-crystal (Cry) ao resfriamento (e vice-versa após o aquecimento), que exibe rápido e reversível comutação viscoelástica em resposta à luz. Aqui são apresentados os métodos de medição da viscoelasticidade e uma ilustração da relação estrutura-viscoelasticidade microscópica. Os detalhes são descritos nas seções representativas de resultados e discussão.

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Protocolo

1. Preparação de superfícies esfregadas para alinhar moléculas LC planarly

  1. Prepare substratos de vidro limpo.
    1. Corte os substratos de vidro usando um cortador de vidro à base de diamantes(Mesa de Materiais)em pequenos pedaços quadrados com tamanhos médios de 1 cm x 1 cm. Lave-os por somsiato a 38 kHz ou 42 kHz em um detergente alcalino (Mesa de Materiais, diluído em água em um detergente: relação de volume de água de 1:3) e enxaguar com água destilada repetidamente (normalmente, mais de 10x com 5 min de sonication para cada enxaguamento).
    2. Submetês aos substratos ao limpador de ozônio ultravioleta (UV-O3)(Tabela de Materiais)por mais de 10 minutos.
  2. Camada planar do revestimento em substratos de vidro limpos.
    1. Gotejamento 20 μL de 1 mL de uma solução de alinhamento planar de poliimide(Tabela de Materiais, usado como está) com uma pipeta sobre os substratos de vidro limpo. Imediatamente girar-coat a solução, usando um coater da rotação(tabela dos materiais)em 3.000 rpm e temperatura ambiente (RT) para 70 s.
      NOTA: A espessura típica da camada de alinhamento é de cerca de 20 nm.
    2. Asse os substratos de vidro revestido em 80 °C por 60 minutos para remover o solvente e em 180 °C para >60 min para cura. Esfregue os substratos usando uma máquina de fricção de pano de rayon(Mesa de Materiais)com os seguintes parâmetros: velocidade de rotação = 300 rpm, velocidade da placa = 20 mm/s, e impressão = 0,3 mm para realizar alinhamento uniaxial de materiais LC.

2. Preparação de células LC

  1. Coloque um substrato de vidro revestido com a camada de alinhamento em outro substrato, com as camadas de alinhamento face a face, e certifique-se de que eles são 80% sobrepostos para formar uma célula.
    NOTA: As superfícies 20% não sobrepostas devem ser usadas para introduzir materiais LC na célula.
  2. Coloque 100 μL de um adesivo fotoreativo(Tabela de Materiais)e 0,1 mg de partículas de vidro do tamanho de micrômetros (diâmetro = 5 μm) em um substrato de vidro limpo e misture-as manualmente usando a ponta de um clipe de papel. Mova o material misto para quatro cantos da célula para ajustar a lacuna celular e iluminar a célula usando uma lâmpada de arco curto de vapor de mercúrio de baixa pressão(Mesa de Materiais)com um comprimento de onda de 365 nm (1,1 W/cm2). Coloque a célula a lâmpada LED a uma distância de 1 cm por 5 min.
  3. Após a iluminação, coloque a célula em um estágio quente e definir a temperatura-alvo do palco para aquecer a célula a uma temperatura acima do líquido isotrópico (I) -nematic (N) transição de fase (normalmente em 160 °C). Transfira o material LC (1-[4-butoxyazobenzzene-4'-yloxy]-6-[4-cyanobiphenyl-4' yl]hexane; CB6OABOBU; 0,2-10,0 μL) em uma superfície aberta da célula e empurre os materiais em direção à entrada da célula usando uma microspáula para obter contato entre o material LC e a entrada da célula. Aguarde que os materiais lc sejam preenchidos pela célula por força capilar.
    NOTA: CB6OABOBu tem uma seqüência de fase: Cry 100.3 °C TB 105.2 °C N 151.7 °C I no aquecimento e Eu 151.4 °C N 104.5 °C TB 83 °C Cry no resfriamento. Não introduza cb6oabobu na fase N ou tb fase porque o fluxo induzido alinhamento é promovido.

3. Caracterização da textura polarizando a microscopia ótica

  1. Observe as células LC colocadas no estágio quente para controlar a temperatura da amostra (40 a 180 °C) com ± 0,1 K de precisão um microscópio de luz polarizadora (POM, Tabela de Materiais)usando lentes objetivas 4x-100x. Gravar texturas usando uma câmera colorida digital sequencialmente durante o resfriamento e aquecimento.
  2. Use um epi-iluminador UV(Tabela de Materiais)equipado no POM com um comprimento de onda de 365 nm (50 mW/cm2).

4. Medições fotorheológicas

  1. Prepare-se de medições reológicas.
    1. Antes de colocar qualquer amostra no palco do rheômetro(Tabela de Materiais),realize calibração de inércia de geometria e calibração de lacuna zero controlada por um software de acordo com as instruções do fabricante para garantir a precisão do estudo reológico . Pese 250 mg da amostra de pó CB6OABOBu e carregue-a na placa de quartzo base do reômetro.
      NOTA: Para o presente estudo, uma placa com um diâmetro de 50 mm é usada.
    2. Defina a temperatura da câmara de amostra em um valor acima do ponto de transição da fase I-N (>160 °C). Defina um valor de diferença para se aproximar da placa de medição para a placa de quartzo base para sanduíche a amostra (valor típico lacuna usada = 20 μm). Aparar o excesso de amostra (por exemplo, usando lenços de papel) que está fora da lacuna quando a placa de medição pára na posição de corte, que é de 25 μm acima da lacuna alvo.
      NOTA: Não permita que a quantidade adicional de CB6OABOBu seja introduzida na câmara da amostra, pois isso torna as medições imprecisas.
  2. Realizar medições reológicas.
    1. Irradiar luz UV a 365 nm (1-100 mW/cm2),medindo a comutação fotoreológica de CB6OABOBu usando a lâmpada de arco curto de vapor de mercúrio de alta pressão.
      NOTA: A luz será guiada debaixo do recipiente da amostra através da placa de quartzo baixa.
    2. Realizar medições em 1) modo oscilatório para extrair informações dinâmicas de restauração do material e 2) modo rotacional constante para a obtenção de viscosidade rotacional eficaz. Para medições no modo rotacional, aplique um estresse constante de cisalhamento de 13 Pa à amostra para garantir que a medição seja feita no regime newtoniano.
      NOTA: A seleção dos modos é realizada por um software de acordo com as instruções do fabricante.

5. Calorimetria de digitalização diferencial de foto

  1. Pese 10 mg de amostra de pó CB6OABOBu e carregue-a em uma panela de calorimetria de digitalização diferencial de ouro (DSC). Aqueça a amostra a 170 °C na fase isotrópica e certifique-se de que não há distribuição de amostras inhomogêneas na panela DSC, conforme observado a olho nu. Cubra a panela DSC com uma placa de quartzo.
  2. Realizar medições foto-DSC de acordo com as instruções do fabricante(Tabela de Materiais). Medir os dados do DSC em uma varredura de 10 °C/min.
    NOTA: A máquina foto-DSC está equipada com uma intensidade de luz UV de 50 mW/cm2.

6. Caracterização da difração do raio X

  1. Aqueça a amostra cb6oabobu em pó usando o estágio quente a 170 °C e sugar a amostra em um capilar XRD (diâmetro = 0,5 mm) por força capilar.
  2. Anexe o capilar a um suporte de amostra equipado com um controlador de temperatura. Defina a temperatura da câmara (60 °C, 70 °C, 80 °C, 90 °C, 100 °C, 110 °C, 120 °C, 130 °C, 140 °C, 150 °C, 160 °C e 170 °C para cada medida de difração de raios-X).
  3. Irradiar a amostra por raio-X e detectar os feixes de raios-X difracionados por um detector sem irradiação UV e uma intensidade de luz UV de 10 mW/cm2 para 1 min e 10 min.
    NOTA: O estudo atual foi realizado na linha de feixe BL45XU do RIKEN. A fonte de luz foi o padrão SPring-8 ondulador no vácuo. Um monochromator de cristal duplo Si resfriado a nitrogênio líquido foi usado para monocromatizar o feixe. O comprimento de onda era 1 Å.

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Resultados

Imagens POM, dados fotoréométricos, dados foto-DSC e perfis de intensidade XRD foram coletados na escuridão durante a variação de temperatura e enquanto brilhavam a luz UV. A Figura 1a,b representa a estrutura do CB6OABOBu, com sua sequência de fase e possíveis conformações otimizadas pelo campo de força MM2 no programa de modelagem (por exemplo, ChemBio3D).

Quando cb6oabobu está no trans-estado, dois estados conformação sustentrionais de energia ...

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Discussão

Conforme revelado na Figura 1,CB6OABOBu é um material foto-responsivo com eu, N, TB, e cry seqüências de fase após o resfriamento. Uma vez que a ordenação local destas fases difere significativamente, espera-se que a mudança foto-conduzida de propriedades reológicas exicupe um bom contraste viscoelástico. Para investigar quantitativamente isso, foram realizadas medições fotológicas.

Primeiro, consideramos os dados reológicos medidos no escuro (

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Divulgações

Os autores não têm nada a divulgar.

Agradecimentos

Este trabalho foi apoiado pelo projeto bilateral de pesquisa conjunta HAS-JSPS. O apoio financeiro das subvenções NKFIH PD 121019 e FK 125134 é reconhecido.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
21-401-10AS ONEMicroespátula
AL1254JSRAgente de alinhamento planar para cristais líquidos
BX53POlympuscom unidades de transmissão/epi-iluminação
Discovery DSC 25PTI instrumentosEquipamento Photo-DSC Cortador
de vidro PRO-1ASankyoA cortador de vidro à base de diamante
HS82Mettler Toledoestágio quente
MCR502Anton PaarUm reômetro comercial
MRJ-100SEHCMáquina de fricção
Norland Optical Adhesive 65, 81Norland ProductsAderências fotorreativas
OmniCure S2000Excelitas TechnologiesUma lâmpada de arco curto de vapor de mercúrio comercial de alta pressão. Máximo de 70 mW/cm^2.
PILATUS 6MDectrisDetector de contagem de fótons híbridos para detecção de difração de raios X
S1126Matsunami GlassSubstrato
de vidro SC-158HEHCSpin coater
SCAT-20XDKSDetergente alcalino
SLUV-4AS ONELâmpada de arco curto de vapor de mercúrio de baixa pressão
UV-208Limpadorde ozônio ultravioleta (UV-O3)
Microscópio polarizador da Technovision

Referências

  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).

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