Transição Orientacional em Cristal Líquido Ativada pelo Crescimento Termodinâmico de Folhas Múltiplas Interfaciais
15 de maio de 2017
Aqui, apresentamos um protocolo para desencadear uma transição de orientação de um cristal líquido em resposta à temperatura. São descritas metodologias para a preparação de uma amostra, a fim de observar a transição ea evolução de transição detalhada.
O objetivo geral deste procedimento é desencadear uma transição de orientação de um cristal líquido em resposta à temperatura. E para caracterizar a transição. Este método pode ajudar a responder a perguntas-chave no campo de cristal líquido, como comportamentos de ancoragem de superfície termodinâmica.
E a vantagem desse protocolo é que a transição de orientação pode ser claramente visualizada dessa maneira contínua. E se as propriedades físicas envolvidas podem ser sistematicamente investigadas. Para iniciar este procedimento, prepare um mililitro de solução de perfluoropolímero dissolvendo o perfluoropolímero desejado em um solvente comercial na proporção de um para dois para garantir filmes uniformes de 0,5 a 1 micrômetro de espessura para revestimento por rotação.
Em seguida, lave os substratos de vidro por sonicação a 42 kilohertz em um detergente alcalino. Em seguida, enxágue repetidamente cada substrato com água destilada. Após enxaguar e secar os substratos, submeta-os ao limpador de ozônio UV por 10 minutos.
Em seguida, goteje 20 microlitros da solução de perfluoropolímero em cada substrato de vidro limpo. Centrifugar imediatamente a solução a 3 500 rpm e à temperatura ambiente durante 70 segundos. Em seguida, asse o filme a 80 graus Celsius por 60 minutos para remover o solvente e a 200 graus Celsius por 60 minutos para curar.
Aplique uma resina fotocurável pré-misturada com partículas de vidro de tamanho micrométrico em um dos substratos de vidro revestidos por película. Em seguida, coloque um segundo substrato de vidro revestido por filme em cima do primeiro substrato E use uma lâmpada LED com comprimento de onda de 365 nanômetros para colar os dois substratos. Em seguida, introduza 0,2 a 10 microlitros de CCN47 em cada uma das células LC preparadas usando uma espátula sob força capilar a uma temperatura superior à temperatura de transição de fase nemática isotrópica.
Agora, observe as células LC sob microscopia óptica polarizadora com lentes objetivas de quatro a 100X em conjunto com um estágio quente para controlar a temperatura da amostra com precisão de mais ou menos 0,1 Kelvin. Usando uma câmera digital colorida, grave as texturas em mais de cinco quadros, em intervalos pares por Kelvin, tanto no resfriamento quanto no aquecimento na faixa de 291 a 343 Kelvin. Para espectroscopia dielétrica, prepare uma célula LC com eletrodos ITO soldando fio condutor a cada substrato.
Para medir a capacitância das células LC, conecte as células aos terminais de um analisador de fase de ganho de impedância comercial. Em seguida, meça a dependência do tempo da capacitância das células LC a cada cinco minutos com o analisador. Para análise HR-DSC, coloque as células LC em uma HR-DSC caseira para serem examinadas.
Realize medições com taxas de varredura de 0,05 a 0,10 Kelvin por minuto para aumentar o poder mínimo de resolução de temperatura. A evolução da textura feita por medições de microscopia óptica polarizadora e espectroscopia dielétrica durante a transição de orientação do estado de orientação planar para vertical durante o resfriamento e aquecimento é descrita aqui. Após o resfriamento, a orientação planar está logo abaixo da temperatura de transição nemática isotrópica.
Com o aparecimento de texturas Schlieren de dois e quatro pincéis. Por recozimento ou resfriamento adicional, o campo de visão torna-se completamente escuro, sugerindo a conclusão da transição de orientação. Os dados HR-DSC que representam o fluxo de calor através da amostra em função da temperatura e do tempo são mostrados aqui.
A variação do fluxo de calor com dados de tempo foi utilizada para analisar o expoente de Avrami após a transição de orientação. O rasante incide sobre os padrões de difração de raios-X na geometria das gotículas e na geometria da célula C2 LC em várias temperaturas. Demonstre o pedido de curto alcance de folhas umectantes quase esméticas.
Com estruturas de camadas formadas perto da superfície. Mesmo na faixa de temperatura dos estados de orientação planar, as folhas umectantes quase esméticas persistem, indicando que a condição de orientação da superfície é frustrada. A faixa de histerese é consistente com a faixa de histerese confirmada por microscopia óptica polarizadora e espectroscopia dielétrica, o que sugere que a transição de orientação é desencadeada pelo crescimento de uma folha umectante quase esmética.
Assim, uma vez dominada, a observação da transição de orientação pode ser feita em quatro horas se os procedimentos de preparação forem realizados corretamente. Seguindo este procedimento, outros métodos como microscopia confocal fluorescente e análise óptica não linear podem ser realizados para responder a perguntas adicionais, como a distribuição especial de orientações do diretor de cristal líquido. Após seu desenvolvimento, essa técnica abriu caminho para pesquisadores no campo da ciência de superfície de cristais líquidos explorarem as ligações entre as estruturas microscópicas próximas às superfícies e as estruturas e propriedades microscópicas.
Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma boa compreensão de como preparar uma amostra para observar a transição de orientação e como caracterizar as propriedades físicas importantes.
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Visão Geral
Este protocolo descreve um método para induzir uma transição orientacional de um cristal líquido em resposta a variações de temperatura. A transição pode ser claramente visualizada, permitindo a investigação sistemática das propriedades físicas envolvidas.
Componentes Principais do Estudo
Área da Ciência
- Cristais Líquidos
- Termodinâmica
- Ciência dos Materiais
Antecedentes
- Os cristais líquidos exibem propriedades únicas que mudam com a temperatura.
- Compreender as transições orientacionais é fundamental para aplicações em tecnologias de exibição.
- Os comportamentos termodinâmicos de ancoragem superficial são essenciais para caracterizar essas transições.
- Este método permite a observação contínua do processo de transição.
Objetivo do Estudo
- Induzir e caracterizar a transição orientacional de cristais líquidos.
- Explorar comportamentos termodinâmicos relacionados à fixação superficial.
- Fornecer uma visualização clara do processo de transição.
Métodos Utilizados
- Preparação de uma solução de polímero perfluorado.
- Dissolução do polímero perfluorado em um solvente comercial numa proporção específica.
- Criação de filmes uniformes para revestimento por centrifugação.
- Observação da transição em condições controladas de temperatura.
Resultados Principais
- A transição orientacional pode ser efetivamente desencadeada por mudanças de temperatura.
- A visualização clara da transição permite uma análise detalhada.
- A investigação sistemática de propriedades físicas é viável.
- Conquistas de compreensão sobre comportamentos termodinâmicos são obtidas por meio deste método.
Conclusões
- Este protocolo fornece um método confiável para estudar transições de cristais líquidos.
- Ele aprimora a compreensão dos comportamentos termodinâmicos de ancoragem superficial.
- A abordagem é benéfica para pesquisas futuras em aplicações de cristais líquidos.
Perguntas Frequentes
Relevância Executiva para a Indústria
Este método permite a caracterização sistemática dos comportamentos termodinâmicos de ancoragem superficial em sistemas de cristais líquidos, o que é relevante para compreender fenômenos interfaciais que influenciam as propriedades macroscópicas dos materiais. A capacidade de visualizar e quantificar transições orientacionais contribui para a redução de riscos mecanicistas no desenvolvimento de tecnologias de exibição, ao relacionar o ordenamento molecular localizado na superfície com respostas ópticas macroscópicas. Essas informações auxiliam na modelagem preditiva do comportamento dos materiais sob estresse térmico, orientando decisões de projeto em aplicações optoeletrônicas e sensores.
Aplicações Estratégicas em P&D de Biotecnologia Farmacêutica
Descoberta Inicial e Validação de Alvo
- Valor Científico: Fornece uma estrutura para investigar como a ordenação molecular induzida por superfícies influencia o comportamento da fase volumosa, apoiando a verificação de hipóteses em sistemas de matéria mole.
- Valor Operacional: Permite a observação reprodutível de transições de primeira ordem por meio de microscopia óptica polarizante e espectroscopia dielétrica, facilitando a avaliação consistente do engajamento do alvo.
Triagem e Desenvolvimento de Ensaios
- Valor Científico: Fornece dados termodinâmicos quantitativos por meio de DSC de alta resolução, permitindo a medição precisa da energetica de transições para padronização de ensaios.
- Valor Operacional: Combina múltiplas técnicas complementares (POM, DS, GI-XRD) para validar cruzadamente respostas de superfície e do volume, aumentando a confiabilidade do ensaio e reduzindo falsos positivos.
Pesquisa Translacional e Pré-clínica
- Valor Científico: Esclarece como o crescimento da laminação interfacial por molhamento induz reorientação em massa, oferecendo uma base mecanicista para prever a continuidade desde respostas moleculares até o nível tecidual.
- Valor Operacional: Demonstra características de histerese e reversibilidade fundamentais para avaliar a estabilidade de materiais em condições ambientais cíclicas, relevantes para sistemas implantáveis ou vestíveis de longo prazo.
Integração de Pipeline e Fluxo de Trabalho
O protocolo posiciona a caracterização sensível à superfície no início do fluxo de trabalho de descoberta, permitindo que as equipes correlacionem a estruturação interfacial em escala nanométrica com a saída funcional antes de avançar para as etapas de otimização do composto líder.
- Biologia da Descoberta: Apoia a verificação de hipóteses sobre como modificações na superfície alteram a orientação do diretor do cristal líquido, contribuindo para a validação de alvos em sistemas de materiais biomiméticos.
- Triagem: Permite a avaliação da resposta térmica e da estabilidade orientacional, essenciais para a triagem de biossensores ou atuadores baseados em cristais líquidos.
- Análise: Gera resultados quantitativos, incluindo temperatura de transição, largura da histerese e expoente de Avrami, permitindo comparação objetiva entre diferentes variantes de materiais.
- Pesquisa Translacional: Conecta a ordenação molecular específica da superfície (por meio de GI-XRD) às propriedades ópticas em volume, apoiando leituras semelhantes a biomarcadores em sistemas de materiais responsivos.
- Reutilização Empresarial: Estabelece uma plataforma reutilizável para avaliação de transições de fase induzidas termicamente em materiais moles, aplicável a diversas formulações de cristais líquidos e arquiteturas de dispositivos.
Impacto Operacional e Empresarial
- Valor Científico: Reduz a ambiguidade mecanicista ao vincular diretamente o crescimento da lamela úmida na superfície à transição orientacional no volume, aumentando a confiança nas relações estrutura-propriedade.
- Valor Operacional: Padroniza a preparação de amostras e a caracterização multimodal, melhorando a reprodutibilidade entre laboratórios e acelerando a transferência de tecnologia.
- Valor Estratégico: Orienta decisões de prosseguir/interromper ao fornecer informações precoces sobre a robustez térmica do alinhamento de cristais líquidos, reduzindo riscos no desenvolvimento posterior de displays ou sensores.
- Impacto no Portfólio: Permite a priorização ajustada ao risco de formulações de cristais líquidos com base no comportamento quantificado da transição interfacial e nos perfis de histerese térmica.
Considerações sobre a Implementação
- Requer experiência no manuseio de cristais líquidos, deposição de filmes finos e microscopia com estágio térmico.
- Depende do acesso a microscopia óptica polarizante com estágio aquecido, espectrômetro dielétrico, DSC de alta resolução e difração de raios X em incidência rasante.
- Necessita padronização dos procedimentos de limpeza e revestimento de substratos para garantir energia superficial e dinâmica de molhabilidade reprodutíveis.
- Envolve considerações de adaptação ao transferir o método de vidro revestido com polímero perfluorado para outros materiais de substrato ou misturas de cristais líquidos.
- Limitado pela necessidade de controle preciso de temperatura (±0,1 K) para resolver histerese estreita nas transições, o que pode restringir a adaptação para alto rendimento.
Perguntas Frequentes sobre Biotecnologia Farmacêutica
Chapters in this video
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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
