Методическая статья

Ориентационный переход в жидком кристалле, инициированный термодинамическим ростом межфазных смачивающих листов

DOI:

10.3791/55729

⸱

15 мая 2017 г.

 , 
1RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS)

В этой статье

Краткое содержание

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Здесь мы представляем протокол для инициирования ориентационного перехода жидкого кристалла в ответ на температуру. Описаны методологии для подготовки выборки для наблюдения за переходным процессом и детальной переходной эволюцией.

Аннотация

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

В физикохимии жидких кристаллов молекулы вблизи поверхности играют большую роль в управлении объемной ориентацией. До настоящего времени, главным образом для достижения желаемых состояний молекулярной ориентации в ЖК-дисплеях, интенсивно изучалось «статическое» свойство поверхности ЖК, так называемое поверхностное закрепление. Как правило, после того, как начальная ориентация ЖК «заперта» особыми обработками поверхности, такими как натирание или обработка специальным выравнивающим слоем, она практически не изменяется с температурой. Здесь мы представляем систему, показывающую ориентационный переход при изменении температуры, что противоречит консенсусу. Прямо на переходе молекулы объемного ЖК испытывают ориентационное вращение, причем 90 ° между плоской (Р) ориентацией при высоких температурах и вертикальной (V) ориентацией при низких температурах в переходном режиме первого порядка. Мы отслеживали поведение термодинамического поверхностного сцепления с помощью поляризационной оптической микроскопии (POM), диэлектрической спектроскопии (DS), дифференциальной сканирующей калориметрии с высоким разрешением (HR-DSC) и рентгеновской дифракции скользящего падения (GI-XRD) и достигла правдоподобного физического объяснения: что переход инициируется ростом поверхности Смачивающие листы, которые накладывают ориентацию V локально на ориентацию P в объеме. Этот ландшафт обеспечит общее звено, объясняющее, как ориентация равновесной массы влияет на локализованную поверхность ориентации во многих системах LC. В нашей характеристике POM и DS полезны, предлагая информацию о пространственном распределении ориентации молекул LC. HR-DSC предоставляет информацию о точной термодинамической информации о переходах, которая не может быть решена с помощью обычных инструментов DSC из-за ограниченного разрешения. GI-XRD предоставляет информацию о поверхностно-ориентированной молекулярной ориентации и ближнем порядке. Цель этой статьи - представить протокол для подготовки образца,И продемонстрировать, как термодинамические структурные изменения, как в объеме, так и на поверхностях, могут быть проанализированы с помощью вышеупомянутых методов.

Введение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

В последние годы растет интерес к изучению того, как динамические молекулярные особенности и структуры поверхностных молекул в ответ на внешние раздражители могут влиять на объемную ориентацию материалов в LC-состояниях. Одним из примеров является использование биодатчиков LC в качестве нового применения LC 1 , 2 . Для количественной оценки того, сколько целевых биологических видов обнаружено, важно знать, как межфазные LCs, контактирующие с присоединенными молекулами-мишенями, изменяются и эволюционируют, одновременно обнаруживая и как они переносят / переводят свои свойства в массу.

Используя модели для получения этих ответов, мы начали с систем, которые имеют поверхностную молекулярную ориентацию и ближний порядок, изменяющийся термодинамически. Эти системы позволяют нам систематически сопоставлять изменения ориентации и упорядочения поверхности с полученной объемной ориентацией. Недавно мы обнаружили несколько систем ЖК, которые демонстрируютРиентационных переходах, где спонтанная объемная молекулярная ориентация изменяется с температурой. В принципе ориентационные переходы можно разделить на квази-второго порядка 3 , 4 или переход квази-первого порядка 5 , 6 , 7 , 8 . Первая из них сопровождается непрерывной объемной молекулярной переориентацией при изменении температуры, в то время как последняя демонстрирует разрывную. В этой статье мы описываем ориентационный переход в квазипорядке между P и V ориентационными состояниями. Это происходит в одной нематической (N) фазе, изменяя температуру. Подробная информация будет представлена ​​в репрезентативных результатах и ​​обсуждении.

Поскольку ориентационное изменение объема должно определяться изменением ориентации поверхностной молекулы и короткимУпорядочения, очевидно, что эта система может потенциально дать представление о том, как термодинамические изменения в поверхностной молекулярной ориентации и ближнем порядке влияют на объемную ориентацию. В этой статье, с целью понимания вышеупомянутых проблем, мы рассмотрели три проблемы с использованием четырех дополнительных методов ( например, POM, DS, HR-DSC и GI-XRD): (1) Как выглядит ориентационный переход? (2) Является ли ориентационный переход термически детектируемым? (3) Почему и как происходит ориентационный переход?

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Получение слоя жидкокристаллического выравнивания перфторполимера на стеклянные подложки

  1. Приготовление раствора перфторполимера
    1. Готовят 1 мл раствора перфторполимера растворением раствора перфторполимера (9 мас.% Полимера) в коммерческом растворителе в соотношении 1: 2; Это обеспечивает равномерную толщину пленок 0,5-1 мкм для нанесения покрытия методом центрифугирования.
      ПРИМЕЧАНИЕ. См. Список материалов для используемого раствора и растворителя.
  2. Покрытие перфторполимера на чистые стеклянные подложки
    1. Промыть стеклянные подложки (типичный размер: 1 см х 1 см) обработкой ультразвуком при 38 или 42 кГц в щелочном моющем средстве. Повторно промывайте их дистиллированной водой. Как правило, промыть более 10 раз с 5 минут ультразвуковой каждый раз.
    2. Подвергать субстраты очистителю UV-O 3 в течение 10 мин.
    3. Капайте 20 мкл раствора со стадии 1.1 на очищенную стеклянную подложкутес. Немедленно нанесите раствор на раствор при 3500 об / мин и комнатной температуре в течение 70 секунд. Выпекать пленку при 80 ° С в течение 60 мин для удаления растворителя и при 200 ° С в течение 60 мин для отверждения.

2. Приготовление LC-клеток

  1. Склеивают два стеклянных подложки, покрытых пленкой, с использованием фотоотверждаемой смолы и светодиодной лампы с длиной волны 365 нм (1,1 Вт / см 2 ). Отрегулируйте толщину зазора между двумя подложками в пределах 2-100 мкм с использованием стеклянных частиц микрометра или пленок из полиэтиленнафталата.
  2. Вносят LC-материал, 4'-бутил-4-гептилбициклогексил-4-карбонитрил (CCN47; 0,2-10 мкл) 9 в полученные LC-клетки с использованием шпателя под капиллярной силой при температуре выше изотропной жидкости (I) -Nematic (N) фазового перехода.
    ПРИМЕЧАНИЕ: CCN47 имеет отрицательную диэлектрическую анизотропию, а фазовая последовательность - Cry 298,6 K SmA 301,3 KN 331.3 KI, где Cry и SmA обозначают кристаллические и смектические фазы A. Не вводите CCN47 в фазу N или SmA, так как будет способствовать выравнивание потока.

3. Характеристика образца

  1. Наблюдение текстуры с помощью поляризационной оптической микроскопии (ПОМ) 10
    1. Наблюдайте за LC-ячейками под POM объективными линзами 4-100X в сочетании с горячей ступенью для контроля температуры образца с точностью ± 0,1-K. Записывайте текстуры более чем в 5 кадров с равномерными интервалами на Кельвина. Используйте цифровую цветную камеру последовательно, как при охлаждении, так и при нагреве в диапазоне 291-343 K.
  2. Диэлектрическая спектроскопия (ДС) 11
    1. Подготовьте ячейки LC, с ITO-электродами, которые могут иметь квадратную или круглую форму и могут быть приобретены на коммерческой основе, на обеих подложках. Припаяйте свинцовый провод к каждой подложке.
      ПРИМЕЧАНИЕ. См. Список материалов для используемых подложек.
    2. Измерьте емкость или диэлектрическую постоянную LC-ячеек, точно так же, как они используются для POM, используя коммерческий анализатор импеданса / коэффициента усиления. Перед каждым измерением убедитесь, что состояние образцов сбалансировано. Измерьте зависимость емкости от времени или диэлектрической проницаемости LC-клеток, измеряя емкость ЖК-элементов вручную каждые 5 мин.
    3. Запуск измерения DS следует производить только в том случае, если емкость или диэлектрическая постоянная LC-ячеек не зависит от времени.
  3. Дифференциальная сканирующая калориметрия высокого разрешения (HR-DSC) 12
    1. Помещают LC-клетки в самодельный HR-DSC для исследования, точно так же, как в POM ( никогда не используйте кастрюли DSC). Обратитесь к ссылке 12, чтобы спроектировать и построить HR-DSC и узнать, как его использовать. Выполните измерения со скоростью сканирования 0,05-0,10 К / мин, чтобы повысить минимальную разрешающую способность температурыэ.
  4. Падение падающей рентгеновской дифракции (GI-XRD) 13
    1. Поместите либо LC-ячейку (используемую для POM, либо DSC), либо образец с каплей от CCN47 от 2 до 5 мкл на подложку с покрытием на этапе GI-XRD, которая должна быть оборудована регулятором температуры.
    2. Уравновешивание образца в течение более 10 мин при желаемых температурах в диапазоне 291-343 К, как при охлаждении, так и при нагревании.
    3. Используйте падающий пучок рентгеновских лучей на образец с небольшим углом падения около 0,05-0,10 ° для получения поверхностной информации о молекулярной ориентации и упорядочениях / структурах. Качайте угол падения рентгеновского пучка, чтобы найти оптимальный угол падения, при котором прочность дифракции является самой сильной. Выполните измерения под оптимальным углом падения.
      ПРИМЕЧАНИЕ. Имейте в виду, что GI-XRD позволяет исследовать межфазные особенности на нанометровом масштабе, таким образом максимизируя сигнал от тонкого lАйеры, минимизируя сигнал от основной массы. Обратите внимание, что обычные геометрии XRD, отличные от GI-XRD, не являются поверхностно-чувствительными методами, поскольку луч рентгеновского излучения имеет большую глубину проникновения в материалы.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Изображения POM, данные DS, данные HR-DSC и рисунки GI-XRD были собраны во время изменения температуры, особенно в окрестности ориентационного перехода при охлаждении и нагреве.

На рисунке 1 представлена ​​эволюция текстуры, выполненной по измерениям POM и DS во время POM-наблюдения ориентационного перехода от P (V) к V (P) ориентационному состоянию при охлаждении (нагреве). Показан процесс переор...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

10x POM-изображения, полученные с использованием LC-ячейки с 5 μм ( рис. 1a и b ), ясно показывают, что ориентационное состояние объемных молекул LC проходит между ориентациями P и V при изменении температуры в первом порядке. Это отмечено процессами зарождения и роста доменов, с новой ориентацией, отличающейся от начальной ориентации на 90 °. Температуры перехода при охлаждении и нагреве составляют 321,5 К и 325,3 К соответственно. Так как CCN47 имеет двойное лучепреломление ~ 0,02

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Эта работа была поддержана грантом JSPS KAKENHI номер 16H06037. Мы искренне благодарим д-ра Юдзи Сасаки в Университете Хоккайдо за техническую помощь HR-DSC.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
CYTOPAsahi Glass Co. Ltd.CTX-809A
Растворитель для CYTOPAsahi Glass Co. Ltd.СТ-180 Сол.
Щелочное моющее средствоMerck KGaAExtran MA01
NOA61Norland Products, Inc.#37-322Можно приобрести у Edmund Optics
AL1254JSR CorporationМатериал планарного выравнивания в самодельных ячейках
4'-бутил-4-гептил-бициклогексил-4-карбонитрилNematel GmbH & Co. KGИзготовленный на заказ
UV-O<>sub3 очистительTechnovision Inc.UV-208
Система горячего столаMettler ToledoHS82
Цветная головка камеры высокой четкостиNikonDS-Fi1
Анализатор импеданса/коэффициента усиленияSolartron Analytical1260
Подложка с покрытием из оксида индия и олова (ITO)GEOMATEC Co. Ltd.заказной

Ссылки

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Woltman, S. J., Jay, G. D., Crawford, G. P. Liquid-Crystal Materials Find a New Order in Biomedical Applications. Nat. Mater. 6 (12), 929-938 (2007).
  2. Carlton, R. J., et al. Chemical and Biological Sensing Using Liquid Crystals. Liq. Cryst.Rev. 1 (1), 29-51 (2013).
  3. Patel, J. S., Yokoyama, H. Continuous Anchoring Transition in Liquid Crystals. Nature. 362, 525-527 (1993).
  4. Senyuk, B., et al. Surface alignment, anchoring transitions, optical properties, and topological defects in the nematic phase of thermotropic bent-core liquid crystal A131. Phys Rev E. 82 (4 Pt 1), 041711(2010).
  5. Bechhoefer, J., et al. Critical Behavior in Anchoring Transitions of Nematic Liquid Crystals. Phys. Rev. Lett. 64 (16), 1911-1914 (1990).
  6. Dhara, S., et al. Anchoring Transitions of Transversely Polar Liquid-Crystal Molecules on Perfluoropolymer Surfaces. Phys. Rev. E. 79 (6 Pt 1), 60701(2009).
  7. Aya, S., et al. Stepwise heat-capacity change at an orientation transition in liquid crystals. Phys. Rev. E. 86 (2), 022512(2014).
  8. Aya, S., et al. Thermodynamically Anchoring-Frustrated Surface to Trigger Bulk Discontinuous Orientational Transition. Langmuir. 32 (41), 10545-10550 (2016).
  9. Dhara, S., Madhusudana, N. V. Physical characterisation of 4'-butyl-4-heptyl-bicyclohexyl-4-carbonitrile. Phase Trans. 81 (6), 561-569 (2008).
  10. Dierking, I. Textures of Liquid Crystals. , Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Weinheim, FRG. (2003).
  11. Perkowski, P., et al. Technical aspects of dielectric spectroscopy measurements of liquid crystals. Opto-Electronics Review. 16 (3), 271-276 (2008).
  12. Inaba, H. Nano-watt stabilized DSC and ITS applications. J Therm Anal Calorim. 79 (3), 605-613 (2005).
  13. Leveiller, F., Boehm, C., Jacquemain, D. Two-dimensional crystal structure of cadmium arachidate studied by synchrotron X-ray diffraction and reflectivity. Langmuir. 10 (3), 819-829 (1994).
  14. de Gennes, P. G., Prost, J. The Physics of Liquid Crystals (Second Edition). , Oxford University Press. (1993).
  15. Aya, S., et al. Critical Behavior in an Electric-Field-Induced Anchoring Transition in a Liquid Crystal. Phys. Rev. E. 86 (1 Pt 1), 10701(2012).
  16. Avrami, M. Kinetics of Phase Change. I General Theory. J. Chem. Phys. 7, 1103-1112 (1939).
  17. Avrami, M. Kinetics of Phase Change. II Transformation-Time Relations for Random Distribution of Nuclei. J. Chem. Phys. 8 (2), 212-224 (1939).
  18. Avrami, M. Granulation Phase Change, and Microstructure Kinetics of Phase Change. III. J. Chem. Phys. 9, 177-184 (1941).
  19. Sasaki, Y., et al. Distinctive Thermal Behavior and Nanoscale Phase Separation in the Heterogeneous Liquid- Crystal B4 Matrix of Bent-Core Molecules. Phys. Rev. Lett. 107 (23), 237802(2011).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

A

Похожие статьи