Ориентационный переход в жидком кристалле, инициированный термодинамическим ростом межфазных смачивающих листов
15 мая 2017 г.
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.
Общая цель этой процедуры состоит в том, чтобы инициировать ориентационный переход жидкого кристалла в ответ на температуру. И охарактеризовать переход. Этот метод может помочь ответить на ключевые вопросы в области жидких кристаллов, такие как термодинамическое поведение поверхностного анкерования.
И преимущество этого протокола заключается в том, что ориентационный переход может быть четко визуализирован таким непрерывным образом. И если задействованные физические свойства можно систематически исследовать. Чтобы начать эту процедуру, приготовьте один миллилитр раствора перфторполимера, растворив нужный перфторполимер в коммерческом растворителе в соотношении один к двум, чтобы обеспечить однородные пленки толщиной от 0,5 до 1 микрометра для спиннингового покрытия.
Далее промойте стеклянные подложки с помощью ультразвука при 42 килогерц в щелочном моющем средстве. Затем повторно промойте каждый субстрат дистиллированной водой. После промывки и высыхания основания обработайте их ультрафиолетовым озоновым очистителем в течение 10 минут.
После этого капните по 20 микролитров раствора перфторполимера на каждую очищенную стеклянную подложку. Немедленно отжмите слой раствора при 3 500 об/мин и комнатной температуре в течение 70 секунд. Затем запекайте пленку при температуре 80 градусов Цельсия в течение 60 минут, чтобы удалить растворитель, и при температуре 200 градусов Цельсия в течение 60 минут для отверждения.
Нанесите фотоотверждаемую смолу, предварительно смешанную с частицами стекла микрометрового размера, на одну из стеклянных подложек с пленочным покрытием. Затем поместите вторую стеклянную подложку с пленочным покрытием поверх первой подложки и используйте светодиодную лампу с длиной волны 365 нанометров, чтобы склеить две подложки вместе. Затем вводят от 0,2 до 10 микролитров CCN47 в каждую из подготовленных ЖХ-клеток с помощью шпателя под действием капиллярной силы при температуре, превышающей температуру изотропного нематического фазового перехода.
Теперь рассмотрим ЖК-ячейки в поляризационной оптической микроскопии с объективом от 4 до 100X в сочетании с горячим столиком для контроля температуры образца с точностью плюс-минус 0,1 Кельвина. Используя цифровую цветную камеру, записывайте текстуры более чем в пяти кадрах, с равными интервалами на Кельвина, как при охлаждении, так и при нагревании в диапазоне от 291 до 343 Кельвинов. Для диэлектрической спектроскопии подготавливают ЖК-ячейку с электродами ITO путем припаивания свинцового провода к каждой подложке.
Чтобы измерить емкость LC-ячеек, подключите их к клеммам коммерческого фазового анализатора импедансного усиления. Затем измеряйте зависимость емкости ячеек ЖК от времени каждые пять минут с помощью анализатора. Для анализа HR-DSC поместите клетки LC в самодельный HR-DSC для исследования.
Выполняйте измерения со скоростью сканирования от 0,05 до 0,10 Кельвинов в минуту для повышения минимальной разрешающей способности по температуре. В статье показана эволюция текстуры, полученная с помощью поляризационной оптической микроскопии и диэлектрической спектроскопии при ориентационном переходе от плоского к вертикальному ориентационному состоянию при охлаждении и нагреве. После охлаждения планарная ориентация находится прямо ниже температуры изотропного нематического перехода.
С появлением двух и четырех щеток шлиренских текстур. При отжиге или дальнейшем охлаждении поле зрения становится полностью темным, что свидетельствует о завершении ориентационного перехода. Здесь представлены данные HR-DSC, представляющие тепловой поток через образец в зависимости от температуры и времени.
Вариация теплового потока с временными данными была использована для анализа показателя Аврами после ориентационного перехода. Случаи выпаса рентгеновских дифракционных картин в геометрии капель и в геометрии ячеек C2 LC при различных температурах. Продемонстрируйте заказ квазисмектических листов для смачивания на коротких расстояниях.
Со слоями структуры формируются у поверхности. Даже в температурном диапазоне плоских ориентационных состояний сохраняются квазисмектические a-смачивающие листы, что указывает на то, что поверхностное ориентационное состояние нарушено. Диапазон гистерезиса согласуется с диапазоном гистерезиса, подтвержденным поляризационной оптической микроскопией и диэлектрической спектроскопией, что позволяет предположить, что ориентационный переход инициируется квазисмектическим ростом листа a-смачивания.
Таким образом, после освоения наблюдение за ориентационным переходом может быть выполнено за четыре часа, если подготовительные процедуры выполнены правильно. После этой процедуры могут быть выполнены другие методы, такие как флуоресцентная конфокальная микроскопия и нелинейный оптический анализ, чтобы ответить на дополнительные вопросы, такие как специальное распределение ориентаций директора жидкого кристалла. После своего развития этот метод проложил путь исследователям в области науки о поверхности жидких кристаллов к изучению связей между микроскопическими структурами вблизи поверхностей и микроскопическими структурами и свойствами.
После просмотра этого видео у вас должно сложиться хорошее представление о том, как подготовить образец для наблюдения за ориентационным переходом и как охарактеризовать важные физические свойства.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данном протоколе описан метод запуска ориентационного перехода жидкого кристалла в ответ на изменение температуры. Этот переход можно четко визуализировать, что позволяет систематически исследовать соответствующие физические свойства.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Жидкие кристаллы
- Термодинамика
- Материаловедение
Теоретическое обоснование
- Жидкие кристаллы обладают уникальными свойствами, которые меняются в зависимости от температуры.
- Понимание ориентационных переходов имеет решающее значение для применения в технологиях дисплеев.
- Термодинамическое поведение поверхностного закрепления является ключевым для характеристики этих переходов.
- Данный метод позволяет осуществлять непрерывное наблюдение за процессом перехода.
Цель исследования
- Инициировать и охарактеризовать ориентационный переход жидких кристаллов.
- Изучить термодинамическое поведение, связанное с поверхностным закреплением.
- Обеспечить четкую визуализацию процесса перехода.
Используемые методы
- Приготовление раствора перфторполимера.
- Растворение перфторполимера в коммерческом растворителе в определенном соотношении.
- Создание однородных пленок методом центрифугирования (спин-коутинга).
- Наблюдение за переходом при контролируемых температурных условиях.
Основные результаты
- Ориентационный переход может быть эффективно инициирован изменением температуры.
- Четкая визуализация перехода позволяет провести детальный анализ.
- Возможно систематическое исследование физических свойств.
- Данный метод позволяет получить представление о термодинамическом поведении.
Выводы
- Данный протокол представляет собой надежный метод изучения переходов жидких кристаллов.
- Он расширяет понимание термодинамического поведения поверхностного закрепления.
- Этот подход будет полезен для будущих исследований в области применения жидких кристаллов.
Часто задаваемые вопросы
Значимость для промышленности
Данный метод позволяет систематически охарактеризовать термодинамическое поведение поверхностного закрепления в жидкокристаллических системах, что имеет важное значение для понимания межфазных явлений, влияющих на свойства материала в объеме. Возможность визуализации и количественной оценки ориентационных переходов способствует снижению технических рисков при разработке технологий дисплеев за счет установления связи между локализованным на поверхности молекулярным упорядочиванием и макроскопическим оптическим откликом. Такие данные помогают в прогностическом моделировании поведения материалов при тепловом воздействии, что позволяет обоснованно принимать проектные решения при создании оптоэлектронных устройств и сенсоров.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранние этапы поиска и валидация мишени
- Научная ценность: Предлагает основу для изучения того, как индуцированное поверхностью молекулярное упорядочивание влияет на поведение объемной фазы, что позволяет проверять гипотезы в системах мягкой материи.
- Практическая ценность: Обеспечивает воспроизводимое наблюдение фазовых переходов первого рода с помощью поляризационной оптической микроскопии и диэлектрической спектроскопии, что способствует последовательной оценке взаимодействия с мишенью.
Скрининг и разработка анализа
- Научная ценность: Предоставляет количественные термодинамические данные с помощью DSC высокого разрешения, что позволяет точно измерять энергетику переходов для стандартизации анализа.
- Практическая ценность: Объединяет несколько взаимодополняющих методов (POM, DS, GI-XRD) для перекрестной проверки отклика поверхности и объема, что повышает надежность анализа и снижает количество ложноположительных результатов.
Трансляционные и доклинические исследования
- Научная ценность: Разъясняет, как рост межфазного смачивающего слоя вызывает объемную переориентацию, что дает механистическую основу для прогнозирования непрерывности реакций от молекулярного до тканевого уровня.
- Практическая ценность: Демонстрирует характеристики гистерезиса и обратимости, которые имеют критическое значение для оценки стабильности материалов в циклических условиях окружающей среды, актуальных для долгосрочных имплантируемых или носимых систем.
Интеграция в пайплайны и рабочие процессы
Данный протокол предусматривает проведение анализа характеристик поверхности на ранних этапах процесса поиска, что позволяет исследователям сопоставлять наноразмерную структуру интерфейса с функциональным результатом до перехода к стадиям оптимизации ведущих соединений.
- Открывательная биология: Позволяет проверять гипотезы о том, как модификации поверхности изменяют ориентацию директора жидкого кристалла, что важно для валидации целей в биомиметических материальных системах.
- Скрининг: Обеспечивает возможность оценки термического отклика и ориентационной стабильности, что является ключевым фактором при скрининге биосенсоров или актуаторов на основе жидких кристаллов.
- Аналитика: Позволяет получать количественные данные, включая температуру перехода, ширину петли гистерезиса и показатель Аврами, что дает возможность объективного сравнения различных вариантов материалов.
- Трансляционные исследования: Связывает специфическое для поверхности молекулярное упорядочивание (с помощью GI-XRD) с объемными оптическими свойствами, поддерживая считывание биомаркерных сигналов в системах с отзывчивыми материалами.
- Корпоративное повторное использование: Создает многократно используемую платформу для оценки термически индуцированных фазовых переходов в мягкой материи, применимую для различных составов жидких кристаллов и архитектур устройств.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: Снижает механистическую неопределенность путем прямой связи роста слоя поверхностного смачивания с объемным ориентационным переходом, что повышает уверенность в понимании взаимосвязи «структура — свойства».
- Операционная ценность: Стандартизирует подготовку образцов и мультимодальную характеристику, повышая воспроизводимость в разных лабораториях и ускоряя трансфер технологий.
- Стратегическая ценность: Обосновывает решения о целесообразности дальнейшей разработки (go/no-go), предоставляя ранние данные о термической стабильности ориентации жидких кристаллов, что снижает риски при создании дисплеев или сенсоров.
- Влияние на портфель разработок: Позволяет проводить приоритезацию составов жидких кристаллов с учетом рисков на основе количественных данных о поведении межфазного перехода и профилей термического гистерезиса.
Особенности внедрения
- Требуются навыки работы с жидкими кристаллами, нанесения тонких пленок и микроскопии с термостатом.
- Необходим доступ к поляризационной оптической микроскопии с термостоликом, диэлектрическому спектрометру, дифференциальному сканирующему калориметру (DSC) высокого разрешения и рентгеновской дифракции при скользящем падении.
- Требуется стандартизация процедур очистки и нанесения покрытий на подложку для обеспечения воспроизводимой поверхностной энергии и динамики смачивания.
- Необходимо учитывать особенности адаптации при переходе от стекла с перфторполимерным покрытием к другим материалам подложек или смесям жидких кристаллов.
- Ограничено необходимостью точного контроля температуры (±0.1 K) для разрешения узкого гистерезиса перехода, что может затруднить адаптацию для высокопроизводительного анализа.
Часто задаваемые вопросы по биофармацевтике
Chapters in this video
0:05
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
