Summary
כאן, אנו מציגים פרוטוקול כדי להפעיל מעבר אוריינטציה של גביש נוזלי בתגובה לטמפרטורה. מתודולוגיות מתוארות להכנת מדגם על מנת לבחון את המעבר ואת התפתחות המעבר המפורטת.
Abstract
ב גביש נוזלי (LC) כימיה פיסיקלית, מולקולות ליד פני השטח לשחק תפקיד גדול בשליטה על אוריינטציה בתפזורת. עד כה, בעיקר כדי להשיג מדינות אוריינטציה הרצוי מולקולרית LC מציג, "השטח" סטטי השטח של LCs, שנקרא משטח עיגון, נחקרה באופן אינטנסיבי. ככלל אצבע, פעם אחת את הכיוון הראשוני של LCs הוא "נעול" על ידי טיפולים משטח ספציפיים, כגון שפשוף או טיפול עם שכבת יישור מסוים, זה בקושי משנה עם הטמפרטורה. כאן, אנו מציגים מערכת המציגה מעבר אוריינטלי על וריאציה טמפרטורה, אשר מתנגש עם הקונצנזוס. ממש על המעבר, מולקולות LC בתפזורת חווים את הסיבוב האוריינטציה, עם 90 ° בין הכיוון המישורית (P) בטמפרטורות גבוהות לבין כיוון אנכי (V) בטמפרטורות נמוכות בסדר המעבר הראשון. יש לנו מעקב תרמודינמי משטח עיגון התנהגות באמצעות מיקרוסקופ אופטי מקטב (POM), ספקטרוסקופיה דיאלקטארית (DS), רזולוציית סריקה דיפרנציאלית סורקית (HR-DSC), ורמות קרני רנטגן (GI-XRD) והגיעו להסבר פיזי מתקבל על הדעת: המעבר נגרם על ידי גידול של פני השטח גליונות הרטבה, אשר מטילים את הכיוון V מקומי מקומי נגד הכיוון P בתפזורת. הנוף הזה יספק קישור כללי המסביר כיצד האוריינטציה הכמותית של שיווי המשקל מושפעת מהכוונה על פני השטח במערכות LC רבות. באפיון שלנו, POM ו DS הם יתרון על ידי מתן מידע על התפלגות המרחב של האוריינטציה של מולקולות LC. HR-DSC מספק מידע על מידע תרמודינמי מדויק על מעברים, אשר לא ניתן לטפל על ידי מכשירים DSC קונבנציונאלי בשל רזולוציה מוגבלת. GI-XRD מספק מידע על אוריינטציה מולקולרית ספציפית על פני השטח ועל הזמנות לטווח קצר. מטרת מסמך זה היא להציג פרוטוקול להכנת מדגם המציג את transiכדי להדגים כיצד וריאציה מבנית תרמודינמית, הן בתפזורת על המשטחים, ניתן לנתח באמצעות השיטות הנ"ל.
Introduction
בשנים האחרונות, יש כבר עניין הולך וגדל ללמוד כיצד דינמי תכונות מולקולריות של מולקולות פני השטח בתגובה לגירויים חיצוניים עלול להשפיע על הכיוון הגדול של חומרים במדינות LC. דוגמה אחת היא להשתמש biosensors LC כיישום חדש של LCs 1 , 2 . כדי לכמת כמה ביו מינים היעד מזוהים, חשוב לדעת כיצד LCs interfacial כי קשר מולקולות היעד שמירה להשתנות ולהתפתח, תוך גילוי וכיצד הם להעביר / לתרגם את המאפיינים שלהם בתפזורת.
באמצעות מודלים כדי להמשיך בתשובות אלה, התחלנו עם מערכות שיש להם אוריינטציה מולקולרית פני השטח שלהם לטווח קצר הזמנות משתנים תרמודינמית. מערכות אלו מאפשרות לנו לקשר בין השינויים בכיוון האוריינטציה לבין ההזמנות עם כיוון הכמות התוצאתי באופן שיטתי. לאחרונה, מצאנו כמה מערכות LC כי התערוכה oמעברים ריאקציונליים, שבהם שינוי אוריינטציה מולקולארית ספונטנית משתנה עם טמפרטורה. באופן עקרוני, ניתן לסווג מעברים אוריינטליים למעבר מסדר 2 , 4 או חצי-מסדר ראשון , 5 , 6 , 7 , 8 . הראשונה מלווה בהתחדשות מולקולארית בתפזורת על שינויים בטמפרטורה, בעוד שהאחרונה מדגימה רציפה. במאמר זה, אנו מתארים מעבר אוריינטליאלי בצורה מעין-מסדר ראשון בין מצבי P ו- V. זה מתקדם בשלב nematic יחיד (N) על ידי שינוי הטמפרטורה. פרטים יינתנו בתוצאות נציג ובדיון.
מאז שינוי אוריינטלי בתפזורת צריך להיות כפוף על ידי שינוי האוריינטציה מולקולרית פני השטח קצר- סדר הזמנות, ברור כי מערכת זו עשויה להציע תובנות כיצד וריאציה התרמודינמי של האוריינטציה מולקולרית פני השטח לטווח קצר orderings משפיע על הכיוון הגדול. במאמר זה, במטרה להבין את הנושאים הנ"ל, התמודדנו עם שלוש בעיות באמצעות ארבע שיטות משלימות ( כלומר, POM, DS, HR-DSC ו- GI-XRD): (1) איך נראה המעבר האוריינטלי? (2) האם ניתן לזהות את הטרנספורמציה האוריינטלית מבחינה תרמית? (3) מדוע וכיצד מתרחש המעבר האוריינטלי?
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. הכנת שכבת נוזל קריסטל שכבת של Perfluoropolymer על גבי מצעים זכוכית
- הכנת הפתרון perfluoropolymer
- הכן 1 מ"ל של פתרון perfluoropolymer על ידי המסת פתרון perfluoropolymer (9% פולימר% wt) ב ממס מסחרי ביחס של 1: 2; זה מבטיח סרטים אחידים 0.5-1 מיקרומטר עבה להיות ספין מצופה.
הערה: נא עיין רשימת החומרים עבור הפתרון ממס בשימוש.
- הכן 1 מ"ל של פתרון perfluoropolymer על ידי המסת פתרון perfluoropolymer (9% פולימר% wt) ב ממס מסחרי ביחס של 1: 2; זה מבטיח סרטים אחידים 0.5-1 מיקרומטר עבה להיות ספין מצופה.
- ציפוי של perfluoropolymer על גבי מצעים זכוכית נקי
- לשטוף את מצעי הזכוכית (גודל טיפוסי: 1 ס"מ x 1 ס"מ) על ידי sonication ב 38 או 42 קילוהרץ ב אבקת אלקליין. שוב ושוב לשטוף אותם עם מים מזוקקים. בדרך כלל, לשטוף יותר מ 10 פעמים, עם 5 דקות של sonication בכל פעם.
- נושא מצעים UV-O 3 מנקה במשך 10 דקות.
- לטפטף 20 μL של הפתרון משלב 1.1 על גבי זכוכית זכוכית נקיTes. מיד ספין מעיל הפתרון ב 3,500 סל"ד וטמפרטורת החדר עבור 70 שניות. אופים את הסרט ב 80 מעלות צלזיוס למשך 60 דקות כדי להסיר ממס ב 200 מעלות צלזיוס למשך 60 דקות לריפוי.
2. הכנת תאים LC
- דבק שני מצעים זכוכית מצופה בסרט יחד באמצעות שרף צילום לריפוי מנורת LED עם אורך גל של 365 ננומטר (1.1 W / cm 2 ). התאם את עובי הפער בין שני מצעים לתוך בטווח של 2-100 מיקרומטר באמצעות מיקרומטר בגודל חלקיקי זכוכית או פוליאתילן סרטים naphthalate.
- להציג חומר LC, 4'-בוטיל -4-heptyl-bicyclohexyl-4-carbonitrile (CCN47, 0.2-10 μL) 9 לתאי LC מוכן באמצעות מרית תחת נימי כוח בטמפרטורה גבוהה יותר מאשר הנוזל איזוטרופיים (I) (N) טמפרטורת המעבר בשלב.
הערה: CCN47 יש anisotropy דיאלקטרי שלילי, ואת רצף פאזה הוא בוכה 298.6 K SMA 301.3 KN 331.3 KI, שבו בכי ו SmA לעמוד קריסטל ו smectic שלבים. אל תציג את CCN47 בשלב N או בשלב SMA, שכן יישור זרימה המושרה יקודם.
3. אפיון לדוגמה
- תצפית מרקם על ידי מיקרוסקופ אופטי מקטב (POM) 10
- שים לב לתאי LC תחת POM עם עדשות אובייקטיביות 4-100X בשילוב עם שלב חם לשלוט על טמפרטורת המדגם עם דיוק ± 0.1 K. הקלט את המרקמים ביותר מ 5 מסגרות, במרווחים אפילו לכל קלווין. השתמש במצלמת צבע דיגיטלית ברצף, הן על קירור וחימום בטווח של 291-343 ק.
- דיאלקטרי ספקטרוסקופיה (DS) 11
- הכן תאים LC, עם אלקטרודות איטו - אשר יכול להיות מרובע או צורה עגולה ניתן לרכוש מסחרית - על שני מצעים. הלחמה חוט להוביל לכל מצע.
הערה: עיין ברשימת החומרים עבור המצעים בהם נעשה שימוש. - למדוד את הקיבול או קבוע דיאלקטרי של תאים LC, בדיוק כפי המשמש POM, באמצעות עכבה מסחרי / Analyzer שלב רווח. ודא כי מצב הדגימות הוא equilibrated לפני כל מדידה. למדוד את התלות בזמן של קיבול או קבוע דיאלקטרי של תאים LC ידי מדידת הקיבול של תאי LC באופן ידני כל 5 דקות.
- הפעל את המדידה DS רק אם הקיבול או קבוע דיאלקטרי של תאים LC הופך תלוי זמן.
- הכן תאים LC, עם אלקטרודות איטו - אשר יכול להיות מרובע או צורה עגולה ניתן לרכוש מסחרית - על שני מצעים. הלחמה חוט להוביל לכל מצע.
- רזולוציית קלוריות גבוהה למדידת רזולוציה גבוהה (HR-DSC) 12
- שים את התאים LC לתוך מתוצרת בית HR-DSC להיבדק, בדיוק כמו POM ( לעולם לא להשתמש DSC מחבתות). עיין ב - Reference 12 כדי לעצב ולבנות HR-DSC וללמוד כיצד להשתמש בו. בצע מדידות עם שיעורי סריקה של 0.05-0.10 K / min כדי לשפר את הטמפרטורה המינימלית פותר פאוEr.
- אירוע רעייה עקיפה של קרני רנטגן (GI-XRD) 13
- שים את תא LC (משמש POM או DSC) או מדגם עם טיפה μL 2 עד 5 של CCN47 על מצע מצופה על המדגם GI-XRD מדגם, אשר צריך להיות מצויד בקר טמפרטורה.
- לאזן את המדגם במשך יותר מ 10 דקות בטמפרטורות הרצוי בטווח של 291-343 K, הן על קירור וחימום.
- השתמש בקרני רנטגן של האירוע על המדגם, עם נקודת זווית דקה סביב 0.05-0.10 °, כדי לחלץ מידע על פני השטח על אוריינטציה מולקולרית / הזמנות / מבנים. סווינג את זווית האירוע של קרן רנטגן כדי למצוא את זווית האירוע האופטימלי שבו כוח של עקיפה הוא החזק ביותר. קח את המדידות בזווית האירוע האופטימלית.
הערה: יש לזכור כי GI-XRD מאפשר לבחון תכונות מוזרות בין-ממדיות בקנה מידה ננומטרי, ובכך למקסם את האות מ lAyers תוך מזעור האות מן בתפזורת. שים לב שגיאומטריות XRD רגילות, מלבד GI-XRD, אינן שיטות רגישות לאדמה, שכן בקרן הרנטגן יש עומק חדירה גדול לחומרים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
תמונות POM, נתוני DS, נתוני HR-DSC ודפוסי GI-XRD נאספו במהלך שינויי טמפרטורה, במיוחד בקרבת המעבר האוריינטליאלי הן בקירור והן בחימום.
איור 1 מייצג את האבולוציה של המרקם שנעשו על ידי מדידות POM ו- DS במהלך תצפית POM של המעבר האוריינטליאלי ממצב P (V) למצב הכיוון V (P) במהלך קירור (חימום). תהליך הרהור מחדש במהלך המעבר האוריינטלי המבוסס על תצפית POM ( איור 1 א ) מוצג. על קירור, הכיוון P בתפזורת הוא ממש מתחת לטמפרטורת המעבר IN, שנעשתה ברורה על ידי המראה של שני (במרבית) ואת ארבע המברשת טקסטורות Schlieren. ראוי לציין כי שתי מברשת Schlieren (גילוי עם כוח טופולוגי של s = 1/2) הוא אחד resuמבנים עם פגם שורה, אשר מבחינה טופולוגית אינו מאפשר pretilt של מנהל פני השטח 14 . מצד שני, ארבעת המברשות Schlieren (גילוי עם כוח טופולוגי של s = 1) יש נקודה ייחוד, אשר יכול להתקיים גם על משטחים או בתפזורת. שלא כמו שני מברשת Schlieren, pretilt של מנהל השטח מותר על פי טיעוני סימטריה. על ידי הורדת הטמפרטורה ל -321.5 K, תחומים כהים (כיוון ה- V) נוקליאטה בעיקר מנקודות הייחודיות של גילוי 1 ± והתפשטות עם הזמן. על ידי חישול המדגם במשך מספר דקות או על ידי מתן אפשרות לקירור נוסף, שדה הראייה כולו הופך לחשוך מוחלט, דבר המצביע על השלמת המעבר מ - P לכיוון הכיוון V בתפזורת. לאחר החימום, המעבר האוריינטלי היפוך מהכיוון V ל- P בתפזורת קורה עם חוסר הבדל חשוב לזה של קירור: היסטרסיס סביב 5 K, סומביNg המעבר מסדר ראשון חזק, נמצא. שים לב כי טווחי hysteresis טיפוסית של מעברים LC-LC ( למשל, IN ו- N-Smectic פאזות מעברים) הם פחות מ 1 K.
איור 2 מציג נתוני HR-DSC המייצג את זרימת החום דרך המדגם כפונקציה של הטמפרטורה ( איור 2 א ) ואת הזמן (הבלעה של איור 2 ב ) נמדדת על ידי HR-DSC. הנתונים שבאיור של איור 2b שימשו לניתוח מעריכי אברמי לאחר המעבר האוריינטלי ( איור 2 ב ).
איור 3 מציג GI-XRD דפוסי בשתי גיאומטריות המדגם בטמפרטורות שונות: הגיאומטריה אגל ( איור 3 א , למעלה) וגיאומטריה תא LC באתרה ( איור 3 א </ Strong>, bottom). שניהם מדגימים הזמנה לטווח קצר של גליונות הרטבה למחצה של SMA, עם מבנים בשכבה (להלן מקוצר כ- SSWS) שנוצרו בקרבת השטח. גודל SSWS חושבה ברוחב מלא בחצי מרבי (FWHM) של פסגות GI-XRD ( איור 3 ב ). ישנן שתי תצפיות מכריעות המאשרות כי SSWS צריך להיות המבנה הספציפי על פני השטח: (1) הזמנה SMA נעדר בחלק הארי של CCN47, כפי שאושר על ידי XRD (לא מוצג כאן). (2) דפוסי עקיפה איזוטרופיים, הן ב SAD (חלש יותר רחב יותר מאשר אלה של השטח perfluoropolymer) ו ב WAD, אושרו על P רגיל שכבת יישור החומר, המאשר אינטראקציות מולקולריות מיוחדות בין perfluoropolymer ו CCN47. מאחר שהוויכוחים על האינטראקציות המולקולריות חורגים מהיקף הדיון הנוכחי, הם ידווחו במקום אחר בעתיד. באופן מפתיע, אפילו בטווח הטמפרטורות של מצב אוריינטציה P (ראה GI-XRD דפוסי 328 ו 322 K), SSWS נמשכת, המציין כי מצב אוריינטציה פני השטח מתוסכל. חלקים מסוימים של פני השטח נמצאים תחת גלימה של SSWS, המציגים את יכולת היישור V עבור מולקולות LC בתפזורת, בעוד השאר נחשפים להציג את יכולת יישור P. אם הגודל או הכיסוי של SSWS משתנים עם הטמפרטורה, אנו מצפים כי מצב LC בכמות גדולה עשוי להיות מגוונות, שכן היחס של יכולת יישור V ליכולת יישור P משתנה בהתאם. כדי לאשר את האפשרות הזו, התלות בטמפרטורה של אורך המתאם של SSWS ( כלומר, אורך מתמשך ממוצע של טווח קצר טווח SMA בכיוון נורמלי אל פני השטח) חושבה FWHM של פסגות SAD. איור 3 ב מאשרת את המגמה הצפויה שמראה עלייה באורך המתאם של SSWS מעל השלב N, כמו גם היסטרזה בסיסית. היסטרסיס אומר כי פעם SSWS נוצר על הE על פני קירור, הוא יציב תרמודינמית והוא עמיד, אפילו בטמפרטורות גבוהות. התכונה המרכזית היא כי טווח hysteresis עולה בקנה אחד עם טווח hysteresis אושר על ידי POM ו DS ( איור 1 ). הדבר מעיד על כך שהמעבר האוריינטלי נגרם על ידי צמיחת SSWS.
איור 1: אבולוציה של המעבר האוריינטליאלי ממצב P ל- V, גם על קירור וגם על חימום. מרקם וריאציה על ( א ) קירור (כחול כלפי מטה חיצים) ו ( ב ) חימום (אדום כלפי מעלה החיצים). ( א ) למעלה: הכיוון P מופיע ממש מתחת למעבר IN. ( א ) באמצע: ב C C ( כלומר, טמפרטורת המעבר אוריינטציה על קירור), אוריינטציה V עולה מן נקודת defecT של מרקם Schlinen ארבעה מברשת בעיקר (עיגולים מקווקווים אדום). ( א ) תחתית: התחומים עם הכיוון V להרחיב ולכסות את כל שדה הראייה, בתוספת של הבלעה של תמונה קונוסקופית. שים לב כי תמונה קונוסקופית הצלב מראה שינוי קטן בטמפרטורות נמוכות. ( ב ) בתחתית: ב T H ( כלומר, טמפרטורת המעבר אוריינטציה על הסקה), את המרקמים Schleen כהה ובהיר הופכים את המראה שלהם מן התחום V אוריינטציה, דבר המצביע על דו קיום של שכבות דקות ועבות עם אוריינטציה P. ( ב ) באמצע: תחומים כהים הופכים לדומיינים בהירים. ( ב ) למעלה: הבמאי על כל שדה שדה הראייה הוא הכיוון P, המציג מרקם דק ארבע מברשת Schlieren. ( ג ) תלות הטמפרטורה של הקבוע הדיאלקטרי הנמדדת על קירור (מעגלים פתוחים) וחימום (סימני צלב). הקו הכחול הוא הניסוינתונים של קבוע דיאלקטרי של CCN47, נמדד בתא LC הומיאוטרופי. נתון זה השתנה ומותאמת באישור של הפניה 15. זכויות יוצרים 2012, החברה האמריקנית לפיסיקה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 2: עקבות תרמי של המעבר אוריינטציה באמצעות HR-DSC. ( א ) HR-DSC תרשימים בתא מצופה perfluoropolymer לאחר שניהם קירור וחימום. התוצאה בתא LC מצופה חומר שכבת יישור קונבנציונאלי קונבנציונאלי, AL1254, לאחר קירור מוצג גם מדידה מדידה. קווי הבסיס של שלוש תרשימים HR-DSC מועברים כראוי. סרגל מידה בעל שני חצים מתאים ל -1 mW / g. קווים מקווקווים נמשכים להדגישכי זרימת החום הכיוון V הוא קטן יותר מאשר אלה הן בכיוון P והן בשלב I בתא עם משטח perfluoropolymer. ( ב ) התאמה של אברמי לתהליך גידול נוקלאציה של תחומים, עם הכיוון V שנצבר מתחומים עם כיוון P לאחר הקירור. את וריאציה של זרימת החום עם הזמן מוצג הבלעה, אשר שימש עבור אברמי מתאים. נתון זה שונתה ומותאמת באישור מהפניות 7,8 . זכויות יוצרים 2012, האגודה האמריקאית לפיסיקה, זכויות יוצרים 2016, האגודה האמריקאית לכימיה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 3: ניתוח של וריאציה תרמודינמית של מבנה LC interfacial. א ) וריאציה של GI-XRD דפוס ביחס לטמפרטורה באמצעות טיפות CCN47 על משטח perfluoropolymer ותא LC על משטח perfluoropolymer. תבנית GI-XRD של טיפת CCN47 על משטח עם חומר שכבת P יישור AL1254 מוצג כהפניה. ( ב ) תלות הטמפרטורה של אורך המתאם הסרקטי, ∥ ∥, על קירור וחימום כאחד, מחושבת מן הרוחב המלא בחצי מרבי של דפוס עקיפה זווית קטנה של GI-XRD. נתון זה השתנה ומותאמת באישור של הפניות 7 , 8 . זכויות יוצרים 2012, האגודה האמריקנית לפיסיקה; זכויות יוצרים 2016, האגודה האמריקאית לכימיה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
התמונות 10x POM שצולמו באמצעות תא 5 L מיקרומטר LC ( תרשימים 1a ו b ) מראים בבירור כי מצב אוריינטציה של מולקולות LC בתפזורת מעביר בין P ו- V אוריינטציות על וריאציה טמפרטורה בצורה מסודרת. זה מסומן על ידי נוקלאציה התחום ותהליכי הצמיחה, עם כיוון חדש שונה מן האוריינטציה הראשונית על ידי 90 °. הטמפרטורות המעבר על קירור וחימום הם 321.5 K ו 325.3 K, בהתאמה. מאז CCN47 יש birefringence של ~ 0.02 9 , את הנראות של המרקם Schlieren הוא טוב כאשר עובי של תאים LC הוא בטווח של 5-20 מיקרומטר. אם עובי זה קטן יותר מאשר טווח זה, את transmittance של המרקם Schlieren הופך נמוך יותר, מה שמוביל ראות גרועה יותר. מצד שני, אם העובי גדול יותר מהטווח הזה, הפרעות ופיזור של אור גורמות לעיוותים בתמונות POM,ואפילו את הפתרון האופטי יעיל.
כדי לחקור באופן כמותי את זווית ההטיה של מנהל ה- LC ביחס למשטח הרגיל ( כלומר, זווית הקוטב) בתפזורת, מדידת ה- DS בתדר קבוע של kHz 1 (הרחק מתחום התדרים המוליכים) בוצעה במקביל POM כפונקציה של הטמפרטורה ( איור 1 ג ). מאחר שהאיזוטרופיה הדיאלקטרית של LC בשימוש נמדדת מראש כפונקציה של טמפרטורה באמצעות תאים עם שכבות יישור P ו- V, השינוי בתפיסה הדיאלקטית (ℇ) על המעבר האוריינטלי יכול להיות מתורגם לשינוי הקוטב זווית של LCs בתפזורת. בתרשים 1c , עקבות של ℇ על קירור וחימום מראים במפורש שהמעבר האוריינטלי מה P (V) ל- V (P) מתרחש בבת אחת, עם קפיצה גדולה בעקבות. זה ניכר מן חוסר רציפות גדול כילמעבר אוריינטלי יש אופי מסדר ראשון, עולה בקנה אחד עם התצפית של POM. למרות המדידה DS הוא חזק מספיק כדי להעריך את זווית הקוטב של חומרים אניסוטרופיים בממוצע, הוא חסר את רזולוציה העומק ולא יכול לתת שום מידע על הכיוון azimuthal במטוס.
ב איור 2 א , HR-DSC עקבות בתא 25 מיקרומטר LC מאשרת שינוי בשלבים זרימת החום, המעבר במעבר אוריינטציה על קירור ב ~ 318 K (חימום ב 328 K ~), שבו הצבע במצב אוריינטציה עיקר שינויים מ P למצב V. כמו כן, אנומליות חום בתפזורת בשלב המעבר ב ~ 332 K ו ב N-SMA בתפזורת בשלב המעבר ב ~ 303 K. שיעור סריקה גבוה מ 0.05-0.10 K / min יביא לטמפרטורה יותר גרוע פתרון כוח ורעש ב זרימת החום יביא את המדגם היעד מתוך שיווי משקל. השינוי הכמותי בזרימת החום על המעבר האוריינטלי אינו מלווהY החום הנמדד y, המייצג את האנרגיה הפוטנציאלית המאוחסנת הקשרים בין המולקולות. זה שונה מן הרגיל LC ומעברים שלב גבישי מעורבים חום סמוי ניכר. משמעות הדבר היא כי קצב זרימת החום ליחידת נפח, ד Q / D t V , קשורה ישירות עם קיבולת החום הספציפי C p ( כלומר, ד Q / D t V ~ C C ). תוצאה זו מאפשרת לקבוע את השבר של מולקולות בתפזורת ( X ) אשר השלימה את המעבר אוריינטציה מ P ל V. בתורו, זה מציע הבנה של נוקלאציה ותהליכי הצמיחה של המעבר אוריינטציה דרך Kolmogorov- מהל אברמי, (קג'מה או אברמי) ניתוח 16 , 17 , 18 . איור ב 2 מציג את ההתאמה של אברמי על פי המשוואה X , K , t ו- n הם חלק הכמות של התחומים החדשים, מקדם אברמי התלוי בטמפרטורה, זמן ומספר אברמי, בהתאמה ). N אושרו ~ ~ 2.6, מה שמרמז על נוקלאציה הטרוגנית ועל תהליכי הרטבה פנימיים דו-כיווניים. תוצאה זו באה בניגוד חדה למפתח אברמי עבור המעבר איזוטרופי-נמטית (n ≈ 3.6) בכמויות נרחבות של NLC (עיין במידע התומך בהתייחסות 8). שים לב כי ניתוח KJMA הנוכחי אפשרי הודות הן לטמפרטורה מעולה פתרון כוח היחס טוב רעש לרעש שלנו HR-DSC. זה לא יכול להיות מושגת על ידי מכשירים DSC קונבנציונאלי. מאז טכניקה זו היא רגישה וריאציות קטנות זרימת החום ( למשל, אפילו נוקלאציה / תהליכי צמיחה של ננופילמנטס לזיהוי 19 ), יש לו את הפוטנציאל למדוד קטן chanגזים במבנים ובשלבים של כל חומר, החל (ב) חומרים אורגניים למתכות. בנוסף, אנו מדגישים כי טכניקה זו יש פחות מגבלות בגיאומטריה המדגם ( למשל, תאים LC כי לא ניתן למדוד על ידי מכשירים DSC קונבנציונאלי).
GI-XRD דפוסי עבור דגימות עם משטח perfluoropolymer ( איור 3 א ) לאשר הן את SAD ופסגות WAD, עם היכונות בטמפרטורות אחרות מאשר 332 K של השלב אני. הראשון, המייצג את ההזמנות לאורך צירים ארוכים של מולקולות LC, פועל במקביל אל פני השטח. זה האחרון, המייצג את ההזמנות לאורך הצירים הקצרים של מולקולות LC, ממוקם בעמדות ניצב לשעבר. עוצמתם של פסגות SAD חזקה יותר מזו של פסגות WAD, ו FWHM של פסגות SAD הוא גם צר יותר מזה של פסגות WAD. מאז FWHM של פסגות עקיפה הוא המדד העיקרי של מידת הכוח של המתאם posational בין השומהCules, מתברר כי מתאם מיקומים חזק לאורך הצירים הארוכים של מולקולות LC, ולא לאורך הקצרים, קיים. זה מדגים את קיומו של SSWS הנ"ל באזור של פני השטח. כפי שניתן לראות בתרשים 3b , אורך המתאם הסמאטי של אורכים מולקולריים אחדים נמצא בקנה מידה ננומטרי. מידע כזה, בקנה מידה nanoscopic כדי mesoscopic, הממוקמים באזור interfacial ניתן רק לחלץ על ידי גיאומטריה XRD משטח רגיש, כגון GI-XRD, אבל לא על ידי שידור קונבנציונאלי הגיאומטריה השתקפות. כמו כן, אם זווית האירוע של GI-XRD גדול מדי (~> 0.1 °), מצב השתקפות הכולל יהיה שבור ואת מבנים ספציפיים פני השטח כבר לא יכול להיחקר.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
למחברים אין מה לחשוף.
Acknowledgments
עבודה זו נתמכה על ידי JSPS KAKENHI מענק מספר 16H06037. אנו מודים בכבוד רב ד"ר יוג'י סאסאקי בהוקאידו האוניברסיטה לעזרה טכנית עבור HR-DSC.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| CYTOP | Asahi Glass Co. Ltd. | CTX-809A | |
| Solvent for CYTOP | Asahi Glass Co. Ltd. | CT-180 Sol. | |
| Alkaline detergent | Merck KGaA | Extran MA01 | |
| NOA61 | Norland Products, Inc. | #37-322 | Purchasable from Edmund Optics |
| AL1254 | JSR Corporation | Planar alignment material in self-made cells | |
| 4’-butyl-4-heptyl-bicyclohexyl-4-carbonitrile | Nematel GmbH & Co. KG | Custom-made | |
| UV-O3 cleaner | Technovision Inc. | UV-208 | |
| Hot-stage system | Mettler Toledo | HS82 | |
| High-Definition Color Camera Head | Nikon | DS-Fi1 | |
| Impedance/gain-phase analyzer | Solartron Analytical | 1260 | |
| Indium Tin Oxide (ITO)-coated substrate | GEOMATEC Co. Ltd. | Custom-made |
References
- 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).
- Carlton, R. J., et al. Chemical and Biological Sensing Using Liquid Crystals. Liq. Cryst.Rev. 1 (1), 29-51 (2013).
- Patel, J. S., Yokoyama, H. Continuous Anchoring Transition in Liquid Crystals. Nature. 362, 525-527 (1993).
- 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).
- Bechhoefer, J., et al. Critical Behavior in Anchoring Transitions of Nematic Liquid Crystals. Phys. Rev. Lett. 64 (16), 1911-1914 (1990).
- Dhara, S., et al. Anchoring Transitions of Transversely Polar Liquid-Crystal Molecules on Perfluoropolymer Surfaces. Phys. Rev. E. 79 (6 Pt 1), 60701 (2009).
- Aya, S., et al. Stepwise heat-capacity change at an orientation transition in liquid crystals. Phys. Rev. E. 86 (2), 022512 (2014).
- Aya, S., et al. Thermodynamically Anchoring-Frustrated Surface to Trigger Bulk Discontinuous Orientational Transition. Langmuir. 32 (41), 10545-10550 (2016).
- Dhara, S., Madhusudana, N. V. Physical characterisation of 4'-butyl-4-heptyl-bicyclohexyl-4-carbonitrile. Phase Trans. 81 (6), 561-569 (2008).
- Dierking, I. Textures of Liquid Crystals. , Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Weinheim, FRG. (2003).
- Perkowski, P., et al. Technical aspects of dielectric spectroscopy measurements of liquid crystals. Opto-Electronics Review. 16 (3), 271-276 (2008).
- Inaba, H. Nano-watt stabilized DSC and ITS applications. J Therm Anal Calorim. 79 (3), 605-613 (2005).
- 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).
- de Gennes, P. G., Prost, J. The Physics of Liquid Crystals (Second Edition). , Oxford University Press. (1993).
- 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).
- Avrami, M. Kinetics of Phase Change. I General Theory. J. Chem. Phys. 7, 1103-1112 (1939).
- Avrami, M. Kinetics of Phase Change. II Transformation-Time Relations for Random Distribution of Nuclei. J. Chem. Phys. 8 (2), 212-224 (1939).
- Avrami, M. Granulation Phase Change, and Microstructure Kinetics of Phase Change. III. J. Chem. Phys. 9, 177-184 (1941).
- 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).
