Новые методы для наблюдения за структурной динамики Photoresponsive жидких кристаллов

Этот метод может помочь решить общую проблему в исследованиях жидких кристаллов. Это означает, что пиковое молекулярное движение во время фотореакции не может быть определено обычными методами. Основное преимущество этих методов заключается в том, что структура и сверхбыстрая динамика фотовозбужденного жидкого кристалла получаются как из дифференциального ИК-спектра, так и из дифференциальных картин дифракции электронов.

Я продемонстрирую инфракрасную вибрационную спектроскопию с временным разрешением. Для приготовления фазового образца раствора для ИК-колебательной спектроскопии с временным разрешением растворяют 0,025 мкм пи-COT в 25 мл дихлорметана, чтобы получить 1 ммоль на литр. Чтобы приготовить образец жидкокристаллической фазы, покройте подложку из фторида кальция толщиной 3 миллиметра порошком pi-COT.

Поместите подложку на горячую плиту и растопите порошок при температуре 100 градусов Цельсия. Выключите конфорку и дайте образцу остыть до комнатной температуры. После подготовки образца включите титано-сапфировый лазер и усилитель чирпированных импульсов и дайте им термически стабилизироваться.

Установите длительность импульса равной 120 фемтосекундам, частоте повторения — 500 Гц, а флюенсу падения — 1 миллиджоулю на квадратный сантиметр. Проверьте мощность и стабильность импульсов УФ-насоса и зонда среднего ИК-диапазона и при необходимости перенастройте оптические тракты. Охладите ртутно-кадмиево-теллуриевый ИК-детектор жидким азотом.

Расположите спектрометр на одной линии с оптическим трактом и откалибруйте спектрометр. Затем установите силиконовую пластину толщиной 1 миллиметр на держатель образца в качестве тестового образца. Установите задержку насос-щуп на положительное значение.

Оптимизируйте перекрытие насос-зонд путем регулировки зеркала, направляющего луч насоса на образец, для получения максимальной интенсивности переходного сигнала. Настройте сканирование, начиная с минус 100 пикосекунд и заканчивая 1000 пикосендов, с шагом 5 пикосекунд. Отсканируйте тестовый образец и определите временное положение, в котором начинает проявляться переходный сигнал, или нулевое время.

Затем, если используется проба из фазы раствора, установите в прибор проточную ячейку с окнами из фторида бария и начните прокачку пробы через проточную ячейку. При использовании образца жидкокристаллической фазы установите образец на моторизованный столик, чтобы обеспечить непрерывное перемещение положения лазерного пятна на образце, чтобы свести к минимуму повреждения, вызванные лазером. Подтвердите временное положение нуля с образцом и установите время начала, окончания и шага.

Выберите каталог для файла данных и запустите процесс сбора данных. Сначала протравить и очистить пластину с покрытием из нитрида силикона, чтобы получить подложку с окнами из нитрида силикона. Поместите подложку на патрон для нанесения пловального покрытия окнами из нитрида силикона вверх.

Покройте подложку отжимом 10 миллиграммом на миллилитр раствором пи-COT в хлороформе. Поместите подложку с отжимным покрытием на горячую плиту и нагрейте ее до 100 градусов Цельсия, чтобы расплавить пи-COT. Выключите горячую пластину, когда она достигнет 100 градусов Цельсия, и дайте образцу остыть на месте, чтобы получить жидкую кристаллическую пленку pi-COT.

Чтобы начать измерение, установите образец на держатель образца прибора. Поместите держатель образца в вакуумную камеру и закройте камеру. Используйте роторный насос для откачки из камеры до давления менее 1000 Паскалей или 10 миллибар.

Затем с помощью турбомолекулярного насоса опустошите камеру электронной пушки примерно до 10 до минус 6 Па. Далее включите титано-сапфировый лазер и усилитель чирпированных импульсов, и дайте им термически стабилизироваться в течение одного часа. Установите частоту повторения на 500 герц.

Включите чиллер ПЗС-камеры, и охладите устройство до 10 градусов Цельсия. Затем включите электропитание, и установите напряжение на 75 киловольт. Откройте специальное программное обеспечение перекрытия и установите время экспозиции на 50 миллисекунд.

Чтобы найти положение электронного пучка зонда, сначала установите начальный тип на z-перекрытие и нажмите кнопку «Пуск». Когда этот процесс завершится, выберите Y-перекрытие и нажмите кнопку Начать снова. Затем установите электронный луч в положение обскура держателя образца и совместите лазер накачки с отраженным светом накачки рядом с отверстием.

Затем переключитесь на программу дифракции электронов с временным разрешением. Установите тип запуска на временное разрешение, а влияние насоса на 2 миллиджоуля на квадратный сантиметр. Нажмите «Пуск», чтобы измерить положение нулевого времени на основе стандартного неорганического материала, закрепленного на держателе образца.

Затем вставьте чашку Фарадея в траекторию электронного пучка и измерьте флюенс с помощью пикоамперметра. Поверните фильтр нейтральной плотности, чтобы отрегулировать флюенс электронного пучка на 3 пикоампера. Отрегулируйте флюенс импульса насоса на 1,67 миливатт, вращая волновую пластину на линии луча насоса.

Затем в программном обеспечении для дифракции электронов с временным разрешением перейдите в положение образца. Установите время экспозиции ПЗС-камеры на 1 секунду. Установите начальный тип на одиночный и нажмите кнопку «Пуск», чтобы получить статическое изображение электронной дифракции.

Затем включите элемент Пельтье ПЗС-камеры и охладите устройство до минус 20 градусов по Цельсию. После того как ПЗС-камера остынет, задайте количество шаблонов для сбора на каждом шаге, а также количество шагов для измерений с временным разрешением. Установите начальный тип на time-resolved и нажмите Start, чтобы получить изображения электронной дифракции с временным разрешением.

Когда эксперимент закончится, выключите источник питания для ускорения электронов. Соберите изображение с временным разрешением таким же образом, чтобы получить фон. Дифференциальный ИК-колебательный спектр жидкокристаллической тонкой пленки на основе pi-COT имел пики, соответствующие модам растяжения колец COT и тиазола, а также бифенилмоядов, которые сильно активны в ИК-активной форме плоской T1 формы pi-COT.

Зависящая от времени эволюция пиковой интенсивности имела волновое число 1338 обратных сантиметров. Это согласуется с переходом от седла к плоскому подтверждению в течение 2 пикосекунд. Затем следует релаксация до исходной седловой формы через 10-20 пикосекунд для одиночных молекул или 150 пикосекунд для уложенных молекул.

Пики дифракции электронов от фоточувствительных мойад были выделены из длинной картины, в которой доминируют длинные углеродные цепи, путем вычитания исходной дифракционной картины из картины, полученной через 500 пикосекунд после ультрафиолетового импульсного излучения. Положительный и отрицательный пики указывали на формирование и потерю, соответственно, структурных особенностей через 500 пикосекунд после облучения. Образование новой упорядоченной структуры началось примерно через 200 пикосекунд после фотовозбуждения, что согласуется с релаксацией до исходной седловой формы в уложенных молекулах.

Потеря порядка укладки пи-пи на временной шкале в 300 пикосекунд была связана с небольшим количеством плоских конформеров со временем жизни от 300 до 1000 пикосекунд, скручивающихся для минимизации стерических помех. Впервые идея этого метода пришла нам в голову, когда мы обсуждали жидкие кристаллы, которые обычно не исследуются по времени дифракции, потому что они не дают хороших картин дифракции электронов. Наша методология позволяет идентифицировать изменения в дифракционных картинах жидких кристаллов, обеспечивая доступ к важной информации о структуре и сверхбыстрой динамике молекул.

После освоения этих техник их можно выполнить за полдня, если они выполнены правильно. Эти методы потенциально могут быть использованы для ответа на дальнейшие вопросы о структуре и сверхбыстрой динамике более сложных биоматериалов.