Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Высококонтрастное и быстрое фоторелогическое переключение Твист-Бенд Nematic Liquid Crystal

5.9K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/60433

⸱

31 октября 2019 г.

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

В этой статье

Краткое содержание

Этот протокол демонстрирует подготовку фотореологического материала, который обладает твердой фазой, различными жидкокристаллическими фазами и изотропной жидкой фазой за счет повышения температуры. Здесь представлены методы измерения структуры-вязкости отношения материала.

Аннотация

Интеллектуальные вязкоупругие материалы, которые реагируют на специфические стимулы, являются одним из наиболее привлекательных классов материалов, важных для будущих технологий, таких как технологии комплаенсировки по требованию, приводы, молекулярные сцепления и нано-/микроскопическая масса Транспортеры. Недавно было установлено, что благодаря специальному твердо-жидкому переходу, реологические свойства могут проявлять значительные изменения, обеспечивая тем самым подходящие интеллектуальные вязкоэлные материалы. Тем не менее, проектирование материалов с таким свойством является сложным, и вперед и назад переключения раз, как правило, долго. Поэтому важно изучить новые рабочие механизмы для реализации твердо-жидких переходов, сократить время переключения и усилить контраст реологических свойств при переключении. Здесь наблюдается свето-индуцированный кристально-жидкий фазовый переход, который характеризуется поляризующей световой микроскопией (POM), фотореометрией, фотодифференцированной сканирующей калории (фото-DSC) и рентгеновской дифракцией (XRD). Свето-индуцированный кристально-жидкий переход фазы представляет ключевые характеристики such as (1) быстрое переключение кристалл-жидких фаз для обоих передних и обратных реакций и (2) высокое коэффициент контрастности вязкости. В характеристике POM выгодно предлагать информацию о пространственном распределении молекулярных ориентаций LC, определять тип жидкокристаллических фаз, появляющихся в материале, и изучать ориентацию LCs. Фотореометрия позволяет измерять реологические свойства материала при световых стимулах и может выявить фотореологические переключения свойств материалов. Photo-DSC - это метод исследования термодинамической информации материалов в темноте и при облучении света. Наконец, XRD позволяет изучать микроскопические структуры материалов. Целью данной статьи является четкое представление о том, как подготовить и измерить обсуждаемые свойства фотореологического материала.

Введение

Умные механические материалы, способные изменять свои вязкоупругие свойства в ответ на изменение окружающей среды, вызвали огромный интерес у исследователей. Switchability считается наиболее важным материальным фактором, который обеспечивает надежность повторяющихся механических реакций в живых организмах. На сегодняшний день искусственные коммутируемые материалы с универсальными функциями разработаны с использованием мягкой материи (т.е. фоточувствительные гидрогели1,2,3,полимеры4,5, 6,7,8,9,10,11,жидкие кристаллы (LCs)9,10,11, 12,13,14,15,16,17,рН-реакционные микулы18,19,20 ,21,22, и сурфактанты23). Однако эти материалы страдают от более чем одной из следующих проблем: отсутствие обратимости, низкое коэффициент контрастности переключения вязкости, низкая адаптивность и медленная скорость переключения. В обычных материалах существует компромисс между коэффициентом контрастности переключения вязкости и скоростью переключения; таким образом, проектирование материалов, охватывающих все эти критерии с высокой производительностью является сложной задачей. Для реализации материалов с вышеупомянутой всемогущестью необходимо выбрать или проектировать молекулы, которые несут возникающие природы как высокой текучести (вязкое свойство), так и жесткости (эластичное свойство).

Кристаллы жидкости являются идеальными системами с потенциально большим количеством жидкокристаллических и твердых фаз, которые могут быть настроены с помощью молекулярной конструкции. Это позволяет самостоятельно собирать структуры в разных масштабах длины в определенных фазах LC. Например, в то время как высокосимметричные нематические LCs (NL) обладают низкой вязкостью и эластичностью из-за их пространственного порядка на малой дальности, низкосимметричные колобики или smectic LCs демонстрируют высокую вязкость и эластичность из-за одно- и двухмерного дальнего периодиики. Ожидается, что если LC материалы могут быть переключены между двумя фазами с большими различиями в их вязкоупругих свойств, то вязкоупругий смарт-материал с высокой производительностью может быть достигнуто. Несколько примеров были зарегистрированы9,10,11,12,13,14,15.

Данная статья демонстрирует подготовку фотореологического LC-материала с фазовой последовательностью изотропного (I)-нематического (N)-твист-изгиба нематического (ТБ)24-кристалла(Cry) при охлаждении (и наоборот при нагревании), который демонстрирует быструю и обратимую вязкая переключается в ответ на свет. Здесь представлены методы измерения вязкости и иллюстрация микроскопической структуры-вязкости отношений. Подробности описаны в репрезентативных результатах и разделах обсуждения.

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

Протокол

1. Подготовка потертых поверхностей для выравнивания молекул LC попланарно

  1. Подготовьте чистые стеклянные субстраты.
    1. Вырезать стеклянные субстраты с помощью стеклореза на основе алмазов(Таблица материалов) на мелкие квадратные кусочки со средними размерами 1 см х 1 см. Вымойте их путем звукоизоляции при 38 кГц или 42 кГц в щелочном мореническом уборщике (Таблица Материалов, разбавленных в воде при моющее средство: коэффициент объема воды 1:3) и промыть дистиллированной водой повторно (как правило, более 10x с 5 мин sonication для каждого промыть).
    2. Обязать субстраты ультрафиолетового озона (UV-O3)чище(Таблица материалов)более 10 мин.
  2. Слой планарного выравнивания на чистые стеклянные субстраты.
    1. Капаните 20 л 1 мл полиимидного планарового выравнивания(Таблица Материалов,используется как есть) с пипеткой на очищенные стеклянные субстраты. Сразу же спин-слой решения, используя спин пальто (Таблица материалов) при 3000 об/мин и комнатной температуры (RT) для 70 с.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Типичная толщина слоя выравнивания составляет около 20 нм.
    2. Выпекать покрытые стеклянные субстраты при температуре 80 градусов по Цельсию в течение 60 минут, чтобы удалить растворитель и при температуре 180 градусов по Цельсию для лечения. Руб субстратов с помощью rayon-ткани трения машины (Таблица материалов) со следующими параметрами: скорость вращения 300 об/мин, пластина скорость 20 мм / с, и впечатление 0,3 мм для реализации однооаксовой выравнивания LC материалов.

2. Подготовка LC-клеток

  1. Поместите стеклянный субстрат, покрытый слоем выравнивания, на другой субстрат, с выравниванием слоев лицом к лицу, и убедитесь, что они 80% перекрываются, чтобы сформировать ячейку.
    ПРИМЕЧАНИЕ: 20% неопровержимых поверхностей должны быть использованы для введения материалов LC в ячейку.
  2. Поместите 100 qL фотореактивного клея(Таблица материалов)и 0,1 мг частиц стекла размером с микрометр (диаметр ю 5 мкм) на чистый стеклянный субстрат и смешайте их вручную, используя кончик скрепки. Переместите смешанный материал в четыре угла клетки, чтобы отрегулировать разрыв ячейки и осветить клетку с помощью низконапорного пара ртути короткой дуговой лампы (Таблица Материалов) с длиной волны 365 нм (1,1 Вт/см2). Поместите ячейку под светодиодную лампу на расстоянии 1 см в течение 5 мин.
  3. После освещения поместите клетку на горячую стадию и установите целевую температуру стадии, чтобы нагреть клетку до температуры выше изотропной жидкости (I)-нематический (N) фазовый переход (обычно при температуре 160 градусов по Цельсию). Передача LC материала (1-4-butoxyazobenzene-4'-yloxy-6-4-цианобифенил-4' yl'hexane; CB6OABOBu; 0,2-10,0 л) на одной открытой поверхности клетки и толкают материалы к входу в ячейку с помощью микроспатула, чтобы получить контакт между LC-материалом и входом в ячейку. Подождите, пока материалы LC будут заполнены в ячейке капиллярной силой.
    ПРИМЕЧАНИЕ: CB6OABOBu имеет фазовую последовательность: Плачь 100.3 C Tb 105.2 C N 151.7 C I на нагреве и я 151.4 C N 104.5 C TB 83 C Плач при охлаждении. Не вводите CB6OABOBu в фазу N или ТБ, потому что выравнивание, вызванное потоком, поощряется.

3. Текстурная характеристика путем поляризации оптической микроскопии

  1. Наблюдайте за lc-клетками, размещенными на горячей стадии, чтобы контролировать температуру образца (40–180 градусов по Цельсию) с точностью 0,1 K под поляризационным световым микроскопом (POM, Таблица материалов)с помощью объективных линз 4x-100x. Запись текстур с помощью цифровой цветовой камеры последовательно во время охлаждения и нагрева.
  2. Используйте ультрафиолетовый эпи-иллюминатора(Таблица материалов),оборудованный на POM с длиной волны 365 нм (50 мВт/см2).

4. Фотореологические измерения

  1. Подготовка реологических измерений.
    1. Перед размещением любого образца на стадии реометра(Таблица материалов),выполните геометрическую калибровку и нулевую калибровку зазора, контролируемую программным обеспечением в соответствии с инструкциями производителя для обеспечения точности реологического исследования . Взвесьте 250 мг порошкового образца CB6OABOBu и загрузите его на базовую кварцевую пластину реометра.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Для настоящего исследования используется пластина диаметром 50 мм.
    2. Установите температуру камеры образца к значению выше точки перехода фазы I-N (Зgt;160 c). Установите значение разрыва для приближения измерительной пластины к базовой кварцевой пластине, чтобы сэндвич образца (типичное значение разрыва используется 20 мкм). Обрезка избыточного образца (например, с помощью бумажных салфеток), что находится за пределами разрыва, когда измерительная пластина останавливается в положении обрезки, что на 25 мкм выше целевого зазора.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Не допускайте избыточного количества CB6OABOBu, которое будет введено в камеру выборки, так как это делает измерения неточными.
  2. Выполняйте реологические измерения.
    1. Облучение ультрафиолетовым светом на 365 нм (1-100 мВт/см2),измерение фотореологического переключения CB6OABOBu с использованием паров ртути высокого давления короткой дуговой лампы.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Свет будет направляться из-под контейнера образца через базовую кварцевую пластину.
    2. Выполняйте измерения в 1) осцилляторном режиме для извлечения динамической восстанавливающей информации материала и 2) устойчивого режима вращения для получения эффективной вративности вязкости. Для измерений в режиме вращения, применить постоянный стресс сдвига 13 Pa к образцу, чтобы убедиться, что измерения производится в ньютоновском режиме.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Выбор режимов осуществляется программным обеспечением в соответствии с инструкциями производителя.

5. Фото-дифференцирующее сканирование калории

  1. Взвесьте 10 мг порошкового образца CB6OABOBu и загрузите его в кастрюлю с сканированием калорийности золота (DSC). Нагрейте образец до 170 градусов по Цельсию в изотропной фазе и убедитесь, что нет неоднородного распределения образцов в кастрюле DSC, как это наблюдается невооруженным глазом. Обложка сковороды DSC с кварцевой пластиной.
  2. Выполняйте фото-DSC измерения в соответствии с инструкциями производителя(Таблица материалов). Измерьте данные DSC при сканировании 10 кв/мин.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Фото-DSC машина оснащена интенсивностью УФ-излучения 50 мВт/см2.

6. Рентгеновская дифракционная характеристика

  1. Нагрейте образец порошка CB6OABOBu, используя горячую стадию при температуре 170 градусов по Цельсию и сосать образец в капилляр XRD (диаметр 0,5 мм) с помощью капиллярной силы.
  2. Прикрепите капилляр к держателю образца, оборудованному регулятором температуры. Установите температуру камеры (60 градусов по Цельсию, 70 градусов по Цельсию, 80 градусов по Цельсию, 90 градусов по Цельсию, 100 градусов по Цельсию, 110 градусов по Цельсию, 140 градусов по Цельсию, 160 градусов по Цельсию и 170 градусов по Цельсию при каждом рентгеновском измерении дифракции).
  3. Излучайте образец с помощью рентгеновского излучения и обнаруживайте диффракторные рентгеновские лучи с помощью детектора без ультрафиолетового облучения и при интенсивности УФ-света 10 мВт/см2 в течение 1 мин и 10 мин.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Текущее исследование было проведено в RIKEN луч BL45XU. Источником света был стандартный в вакуумный undulator SPring-8. Для монохроматизации луча использовался жидко-охлажденный си двойной кристаллический монохроматор. Длина волны была 1.

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

Результаты

PoM изображения, фотореометрические данные, данные фото-DSC, и XRD интенсивности профили были собраны в темноте во время изменения температуры и в то время как сияющий УФ-излучения. Рисунок 1a,b представляет структуру CB6OABOBu, с его фазовой последовательностью и возможными конформациями, оптимизированными силовым полем MM2 в программе моделирования (например, ChemBio3D).

Когда CB6OABOBu находится в транс-государстве, появляются два энергоправдоп...

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

Обсуждение

Как показано на рисунке 1, CB6OABOBu является фото-отзывчивый материал с I, N, ТБ, и Cry фазовых последовательностей при охлаждении. Поскольку локальное упорядочение этих фаз значительно отличается, ожидается, что фотоприводное переключение реологических свойств будет проявлять хороший вязкоупрятный контраст. Для количественного изучения этого были проведены фоторелогические измерения.

Во-первых, мы рассмотрим реологические данные, измеренные в темноте

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

Раскрытие информации

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

Эта работа была поддержана двусторонним совместным исследовательским проектом HAS-JSPS. Подтверждена финансовая поддержка грантов NKFIH PD 121019 и FK 125134.

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

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
21-401-10AS ONEМикрошпатель
AL1254JSRПланарный юстировочный агент для жидких кристаллов
BX53POlympusПоляризационный микроскоп с блоками пропускания/эпиподсветки
Discovery DSC 25PTI инструментыФото-DSC оборудование для фото-DSC
Стеклорез PRO-1ASankyoA стеклорез на основе алмаза
HS82Mettler Toledoгорячая ступень
MCR502Anton PaarКоммерческий реометр
MRJ-100SEHCПротирочная машина
Norland Оптический клей 65, 81Norland ПродукцияФотореактивные адгезии
OmniCure S2000Excelitas TechnologiesКоммерциальная ртутная короткодуговая лампа высокого давления. Максимум 70 мВт/см^2.
PILATUS 6MDectrisГибридный детектор подсчета фотонов для рентгеновской дифракционной детекции
S1126Matsunami СтеклоСтеклянная подложка
SC-158HEHCПрядильное средство
SCAT-20XDKSЩелочное моющее средство
SLUV-4AS ONEРтутная лампа низкого давления короткодуговая
UV-208TechnovisionУльтрафиолетовый озоновый (UV-O3) очиститель

Ссылки

  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).

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

Перепечатки и разрешения

Теги

Высококонтрастное и быстрое фоторелогическое переключение Твист-Бенд Nematic Liquid Crystal
Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.