Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Yüzey Islatma Levhalarının Termodinamik Büyümesi ile tetiklenen Sıvı Kristalde Oryantasyon Geçişi

Published: May 15, 2017 doi: 10.3791/55729
Automatic Translation
1, 1
1RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS)

Summary

Burada, sıcaklığa tepki olarak bir sıvı kristalin yönlendirici geçişini tetikleyen bir protokol sunuyoruz. Geçişi ve ayrıntılı geçiş evrimini izlemek için bir örnek hazırlamak için yöntemler anlatılmıştır.

Abstract

Sıvı kristal (LC) fizikokimyondaki yüzey yakınındaki moleküller, yığın yöneliminin kontrolünde büyük rol oynamaktadır. Şimdiye dek, esasen LC göstergelerinde istenen moleküler yönlendirme durumlarını elde etmek için, yüzey tutkallaması olarak adlandırılan LC'lerin "statik" yüzey özelliği yoğun bir şekilde incelenmiştir. Kural olarak, LC'lerin başlangıç ​​yönelimi sürtünme veya spesifik bir hizalama tabakası ile işleme gibi spesifik yüzey uygulamaları tarafından "kilitli" hale getirildiğinde, sıcaklık ile pek değişmez. Burada, fikir birliği ile çatışan, sıcaklık değişimi üzerine oryantasyonlu bir geçiş sergileyen bir sistem sunuyoruz. Geçişte, seri LC molekülleri, birinci derece geçiş tarzında düşük sıcaklıklarda yüksek sıcaklıklarda düzlemsel (P) yönlendirme ve dikey (V) yönlendirme arasında 90 ° lik oryantasyon dönüşümü yaşar. Termodinamik yüzey tutturma davranışını polarize optik mikroskopi ile izledik (POM), dielektrik spektroskopi (DS), yüksek çözünürlüklü diferansiyel tarama kalorimetresi (HR-DSC) ve otlatma insidansı X-ışını kırınımı (GI-XRD) ve makul bir fiziki açıklama getirdi: geçişin yüzeyin büyümesiyle tetiklendiğini Islak sayfalardır ve bu da V yönünü toplu olarak P yönüne karşı dayatır. Bu manzara, birçok LC sisteminde denge yığın yöneliminin yüzey lokalize yönlendirmeden nasıl etkilendiğini açıklayan genel bir bağlantı sağlayacaktır. Karakterizasyonumuzda, POM ve DS, LC moleküllerinin yöneliminin mekansal dağılımı hakkında bilgi sunarak avantajlıdır. HR-DSC, sınırlı çözünürlükten ötürü konvansiyonel DSC cihazları tarafından ele alınamayan geçişler hakkında kesin termodinamik bilgi hakkında bilgi verir. GI-XRD, yüzey spesifik moleküler oryantasyon ve kısa menzilli siparişler hakkında bilgi sağlar. Bu makalenin amacı transi sergileyen bir örnek hazırlamak için bir protokol sunmaktır.Hem dökme hem de yüzeydeki termodinamik yapısal değişimin yukarıda belirtilen yöntemlerle nasıl analiz edilebileceğini göstermek.

Introduction

Son yıllarda, harici uyaranlara tepki olarak yüzey moleküllerinin dinamik moleküler özelliklerinin ve yapılarının, LC devletlerinde malzemelerin yığın yönelimini nasıl etkileyebileceğini öğrenmeye olan ilgi artmaktadır. Bir örnek LC 1 , 2'nin yeni bir uygulaması olarak LC biyosensörlerin kullanılmasıdır. Kaç tane hedef biyo-türün tespit edildiğini ölçmek için yapışkan hedef moleküllere temas eden arayüzey LC'lerin nasıl değiştiğini ve geliştiklerini bilmek önemlidir; aynı zamanda bunların özelliklerini toplu halde nasıl aktardıklarını / aktardıklarını tespit ederler.

Bu cevapları takip etmek için modeller kullanarak, yüzeyel moleküler yönelimi ve kısa menzilli siparişleri termodinamik olarak değişen sistemler ile başlattık. Bu sistemler, yüzey yönelimi ve sıralamadaki değişiklikleri, ortaya çıkan toplu yönlendirme ile sistematik bir şekilde ilişkilendirmemize izin verir. Son zamanlarda, çeşitli LC sistemleri oRientasyonel geçişler, burada spontan bir yığın moleküler oryantasyon sıcaklık ile değişir. Prensipte yönelim geçişleri, quasi-second-order 3 , 4 veya quasi-first-order transition 5 , 6 , 7 , 8 olarak kategorize edilebilir. Birincisi, sıcaklık değişiklikleri üzerine sürekli bir yığın moleküler yönelimi getirirken, ikincisi süreksiz olanı gösterir. Bu makalede, P ve V yönelim durumları arasındaki yarı birinci dereceden bir oryantasyon geçişini tanımlıyoruz. Sıcaklığı değiştirerek tekli Nematik (N) fazda ilerlemektedir. Detaylar Temsilcilik Sonuçlarında ve Tartışmada sağlanacaktır.

Kütlenin oryantal değişikliği, yüzey moleküler yöneliminde ve kısa bir değişiklikleBu sistemin, yüzey moleküler oryantasyonundaki termodinamik değişikliğin ve kısa menzilli sıralamaların toplu yönlendirmeyi nasıl etkilediği konusunda potansiyel olarak içgörüler sunabileceği açıktır. Bu makalede, yukarıda bahsedilen konuları anlamak amacıyla, dört tamamlayıcı yöntemi ( yani, POM, DS, İK-DSC ve GI-XRD) kullanarak üç problem üzerinde durduk: (1) Yönelimli geçiş nasıl görünüyor? (2) Yönlü geçiş, termal olarak saptanabilir mi? (3) Yönelimli geçiş neden ve nasıl meydana gelir?

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Bir Perfloropolimerin Sıvı Kristal Hizalama Katmanının Cam Yüzeylere Hazırlanması

  1. Perfloropolimer çözeltisinin hazırlanması
    1. Bir perfloropolimer çözeltisinin (ağırlıkça% 9 polimer) 1: 2 oranında bir ticari çözücüye eritilmesi ile 1 mL perfloropolimer çözeltisi hazırlanır; Bu 0.5-1 μm kalınlığındaki filmlerin spin kaplamalı olmasını sağlar.
      NOT: Kullanılan çözelti ve çözücü için Malzeme Listesi'ne bakın.
  2. Perfloropolimerin temiz cam yüzeylere kaplanması
    1. Alkali bir deterjanda 38 veya 42 kHz'de sonikasyon ile cam yüzeyleri (tipik boyut: 1 cm x 1 cm) yıkayın. Bunları damıtılmış su ile tekrar tekrar durulayın. Tipik olarak, her seferinde 5 dakika sonikasyon ile 10 kattan fazla durulayın.
    2. Substratları UV-O 3 temizleyicisine 10 dakika boyunca bekletin.
    3. Adım 1.1'deki çözeltiden 20 uL damla damla temizlenmiş cam substra üzerine damlatıntes. Çözeltiyi hemen 3,500 rpm'de ve oda sıcaklığında 70 saniye spin-kapla. Filmi, çözücüyü çıkarmak için 80 ° C'de 60 dakika pişirin ve sertleştirmek için 200 ° C'de 60 dakika pişirin.

2. LC Hücrelerinin Hazırlanması

  1. Fotoğrafla iyileştirilebilen bir reçine ve 365 nm dalga boyundaki (1.1 W / cm2) bir LED lamba kullanılarak film ile kaplanmış iki cam yüzey yapıştırın. Mikrometre boyutunda cam partikülleri veya polietilen naftalat filmler kullanarak, iki substrat arasındaki boşluğun kalınlığını 2-100 μm aralığında ayarlayın.
  2. Hazırlanan LC hücrelerine, izotropik sıvıdan (I) daha yüksek bir sıcaklıkta kılcal kuvvet altında bir spatula kullanılarak bir LC malzemesi 4'-butil-4-heptil-bisikloheksil-4-karbonitril (CCN47; 0.2-10 uL) Nematik (N) faz geçiş sıcaklığı.
    NOT: CCN47 negatif bir dielektrik anizotropisi vardır ve faz sırası Cry 298.6 K SmA 301.3 KN 33'tür1.3 KI, burada Cry ve SmA kristal ve smektik A safhalarıdır. CCN47'yi N fazında veya SmA fazında uygulamayın çünkü akışla indüklenen hizalama terfi edilebilir.

3. Örnek Karakterizasyonu

  1. Polarize optik mikroskopi (POM) ile doku gözlemi 10
    1. ± 0.1 K doğrulukla numune sıcaklığını kontrol etmek için bir sıcak kademe ile birlikte 4-100X objektif mercekleri olan POM altında LC hücrelerini izleyin. Dokuları, Kelvin başına eşit aralıklarla, 5 kareden fazla çerçevede kaydedin. Soğutma ve ısıtma işlemlerinde 291-343 K aralığında dijital renkli bir kamera kullanın.
  2. Dielektrik spektroskopi (DS) 11
    1. LC hücrelerini, ITO elektrotlarıyla hazırlayın - bunlar, kare veya dairesel şekle sahip olabilir ve ticari olarak satın alınabilir - her iki yüzey üzerinde de. Her bir alt tabakaya bir kurşun teli lehimleyin.
      NOT: Kullanılan alt katmanlar için Malzeme Listesi'ne bakın.
    2. Ticari bir impedans / kazanım fazı analizörü kullanarak, POM için olduğu gibi, LC hücrelerinin kapasitansını veya dielektrik sabitini ölçün. Numunelerin durumunun her ölçümden önce dengelenmesini sağlayın. LC hücrelerinin kapasitansını her 5 dakikada manuel olarak ölçerek kapasitansın veya LC hücrelerinin dielektrik sabitinin zaman bağımlılığını ölçün.
    3. DS ölçümünü ancak LC hücrelerinin kapasitans veya dielektrik sabitinin zamana bağlı olmadığı durumlarda başlatın.
  3. Yüksek çözünürlüklü diferansiyel tarama kalorimetresi (HR-DSC) 12
    1. LC hücrelerini tam olarak POM'da olduğu gibi incelenecek ev yapımı HR-DSC'ye yerleştirin ( asla DSC tava kullanmayın). Bir İK-DSC tasarlamak ve oluşturmak ve nasıl kullanılacağını öğrenmek için Referans 12'ye bakın. Minimum sıcaklık çözünürlüğünü arttırmak için 0.05-0.10 K / dak'lık tarama oranlarıyla ölçüm yapıner.
  4. Otlatma olayı X ışını kırınımı (GI-XRD) 13
    1. LC hücresini (POM veya DSC için kullanılır) veya 2-5 μL CCN47 damlacıklı bir örneği, bir sıcaklık kontrol cihazı ile donatılmış olan GI-XRD numune aşaması üzerindeki bir kaplamalı alt tabakaya koyun.
    2. Numuneyi hem soğutma hem de ısıtma üzerine 291-343 K aralığında istenen sıcaklıklarda 10 dk'dan fazla dengeye getirin.
    3. Moleküler yönlendirme ve düzen / yapılar hakkında yüzey bilgisini çıkarmak için, örnek üzerinde bir olaylı röntgen ışını kullanarak dakikada bir 0.05-0.10 ° lik bir olay açısı uygulayın. Kırılma mukavemetinin en güçlü olduğu en uygun yansıma açısını bulmak için X-ışını ışınının olay açısını döndürün. En uygun olay açısında ölçüm yapın.
      NOT: GI-XRD'nin, nanometre ölçeğinde arayüzey özelliklerini saptamayı mümkün kıldığını ve dolayısıyla ince l'den gelen sinyali maksimize ettiğini aklınızda bulundurunToplu gelen sinyali en aza indirirken ayerler. GI-XRD dışındaki normal XRD geometrileri, X-ışını radyasyon ışınının malzemelere nüfuz derinliğine sahip olduğundan yüzey duyarlı yöntem değildir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Sıcaklık değişimi sırasında, özellikle soğutma ve ısıtma üzerine, oryantasyon geçişinin yakın çevresinde POM görüntüleri, DS verileri, HR-DSC verileri ve GI-XRD paternleri toplandı.

Şekil 1 , soğutma (ısıtma) esnasında P (V) den V (P) yönelimli duruma oryantasyon geçişinin POM gözlemi sırasında POM ve DS ölçümleri tarafından yapılan dokunun gelişimini göstermektedir. POM gözlemine dayalı oryantasyon geçişinde yeniden yönlendirme işlemi ( Şekil 1a ) gösterilmektedir. Soğutulduktan sonra, toplu haldeki P yönü IN geçiş sıcaklığının hemen altında, iki (çoğunlukla) ve dört fırça Schlieren dokusunun görünümü ile belirginleşti. İki fırça Schlieren'in (s topolojik gücüyle s = ± 1/2 diskleme) resustan biri olduğuna dikkati çekmektedirTopolojik olarak yüzey yönlendiricide 14 bekletilmesine izin vermeyen çizgi kusurlu yapılar. Öte yandan, dört fırça Schlieren (topolojik bir mukavemet s = ± 1 olan disclination) noktasal tekillik içerir, bu nokta tekilliktir ya da yüzeylerde ya da yığın halinde olabilir. İki fırça Schlieren'in aksine, simetri argümanlarına göre yüzey yönlendiricisinin bir ön tanımına izin verilir. Sıcaklığı 321.5 K'ye düşürerek karanlık alanlar (V yönü) öncelikle ± 1 disclination'ın nokta tekilliklerinden çekilir ve zamanla yayılır. Numuneyi birkaç dakika tavlandırarak veya daha fazla soğumaya bırakarak, görüş alanının tamamı karanlık hale gelir ve toplu halde P'den V yönüne geçişin tamamlandığını gösterir. Isıtmanın ardından, hacimde V'den P yönüne dönme yöneliminde geçiş, soğutma ile önemli bir benzerlik göstermez: yaklaşık 5 K'lik bir histerez, öneriGüçlü bir birinci derece geçiş gerçekleşti. LC-LC geçişlerinin tipik histerezis aralıklarının ( örneğin, IN ve N-Smektik faz geçişleri) 1 K'den düşük olduğunu unutmayın.

Şekil 2 , HR-DSC ile ölçülen sıcaklığın ( Şekil 2a ) ve zamana ( Şekil 2b'deki girinti) bağlı olarak numunedeki ısı akışını temsil eden HR-DSC verilerini göstermektedir. Şekil 2b'deki ekteki veriler, oryantasyon geçişinden sonra Avrami üssünü analiz etmek için kullanılmıştır ( Şekil 2b ).

Şekil 3 , çeşitli sıcaklıklarda iki numune geometrisindeki GI-XRD modellerini göstermektedir: damlacık geometrisi ( Şekil 3a , üst) ve in situ LC hücre geometrisi ( Şekil 3a </ Strong>, alt). Her ikisi de, yüzeyin yakınında oluşan katman yapıları (bundan sonra SSWS olarak kısaltılacaktır) ile birlikte, yarı-SmA ıslanma tabakalarının kısa menzili sıralamasını göstermektedir. SSWS'nin boyutu, GI-XRD zirvelerinin tam genişliğinden (FWHM) hesaplanmıştır ( Şekil 3b ). SSCB'nin yüzey spesifik yapı olması gerektiğini onaylayan iki önemli gözlem vardır: (1) XNB tarafından onaylandığı gibi (burada gösterilmemiştir), CCN47'nin topluluğunda SmA düzeni mevcut değildir. (2) SAD'de (perfloropolimer yüzeyinde olduğundan daha zayıf ve geniş olan) izotropik kırınım desenleri, perfloropolimer ve CCN47 arasındaki özel moleküler etkileşimleri teyit eden klasik bir P hizalama tabakası malzemesinde doğrulandı. Moleküler etkileşimler hakkındaki tartışmalar mevcut tartışmanın kapsamını aştığı için, gelecekte başka yerlerde bildirilecektir. Şaşırtıcı bir şekilde, P yönelimli durumun sıcaklık aralığında bile (bakınız GI-328 ve 322 K'da -XRD paternleri) SSWS devam ederek, yüzey yönelimli durumun hayal kırıklığına uğradığını gösterir. Yüzeyin bazı kısımları, SSWS'nin pelerinin altındadır ve toplu LC molekülleri için V hizalama kabiliyeti sergilemektedir, geriye kalan kısım P hizalama kabiliyetini sergilemektedir. SSWS'nin boyutu veya kapsamı sıcaklık ile değişirse, V yerleşim kapasitesinin P yerleşim kapasitesine olan oranı buna göre değiştiğinden toplu LC yönelimli durumun farklı olmasını bekleriz. Bu olasılığı doğrulamak için, SSWS korelasyon uzunluğunun sıcaklığa bağımlılığı ( yani, SmA kısa menzilli siparişin yüzeye normal yöndeki ortalama kalıcı uzunluğu) SAD tepelerinin FWHM'sinden hesaplandı. Şekil 3b , N-fazı boyunca SSWS korelasyon uzunluğunda bir artış gösteren beklenen eğilimi ve ayrıca altta yatan bir histereziyi teyit etmektedir. Histerezis, SSCB'ninSoğutma üzerine yüzey, termodinamik bakımdan dengeli ve yüksek sıcaklıklarda bile dayanıklıdır. Anahtar özellik, histerezis aralığının POM ve DS tarafından onaylanan histerezis aralığı ile uyumlu olmasıdır ( Şekil 1 ). Bu, oryantasyon geçişinin SSGS'nin büyümesi ile tetiklendiğini göstermektedir.

Şekil 1
Şekil 1: Hem soğutma hem de ısıtma yönünde P'dan V yönlenme durumuna doğru yönelimin evrimleşmesi. Doku değişimi ( a ) soğutma (mavi aşağı oklar) ve ( b ) ısıtma (kırmızı yukarı oklar). ( A ) Üst: P yönü IN geçişinin hemen altında görünüyor. ( A ) Orta: T C'de (soğutma üzerine oryantasyon geçiş sıcaklığı), V yönü defec noktasından çıkarÖncelikle dört fırça Schlieren dokusunun (kırmızı kesikli daireler). ( A ) Alt: V yönlü alanlar genişler ve konovoskopik görüntünün bir takozuyla takviye edildiği gibi bütün alanı kaplarlar. Haçlı konoba görüntüsünün düşük sıcaklıklarda çok az değişiklik gösterdiğini unutmayın. ( B ) Alt: T H'de ( örn., Isıtma üzerine yönelim geçiş sıcaklığı), koyu ve parlak Schlieren dokuları, V yönelim alanından görünüş yapar; ince ve kalın tabakaların P yönü ile bir arada bulunmasını önerir. ( B ) Orta: Koyu alanlar parlak alanlara dönüşür. ( B ) Üst: Görünüm alanının tamamında yönetmen P yönlendirmesi ile ince dört fırça Schlieren dokusu sergiliyor. ( C ) Soğutma (açık daireler) ve ısıtma (çapraz işaretler) üzerinde ölçülen dielektrik sabitinin sıcaklık bağımlılığı. Mavi çizgi deneyselCCN47'nin dielektrik sabiti verileri, bir homeotropik LC hücrede ölçülmüştür. Bu rakam, Referans 15. Telif Hakkı 2012, Amerikan Fizik Topluluğunun izniyle değiştirildi ve uyarlandı. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.

şekil 2
Şekil 2: HR-DSC'yi kullanarak oryantasyon geçişinin ısıl izi. ( A ) Soğutma ve ısıtma işlemlerinden sonra perfloropolimer ile kaplanmış bir hücredeki HR-DSC çizelgeleri. Soğutmadan sonra geleneksel düzlemsel hizalama tabakası malzemesi AL1254 ile kaplanmış bir LC hücresinin sonucu da bir kontrol ölçümü olarak gösterilir. Üç HR-DSC çizelgesinin taban çizgileri düzgün kaydırılmıştır. Çift oklu ölçek çubuğu 1 mW / g'ya karşılık gelir. Kesikli çizgiler vurgulamak için çizilirV yönündeki ısı akışının perfloropolimer yüzeyli hücredeki hem P yönünde hem de I fazındaki ısı akışından daha küçük olduğunu göstermektedir. ( B ) Alanların çekirdeklenme büyümesi süreci için Avrami uydurma, soğumadan sonra P yönlü alanlardan V yönlendirme tahakkuk eder. Isı akışının zamanla değişimi, Avrami montajı için kullanılan yerbilgisi bölümünde gösterilmektedir. Bu rakam referanslardan 7,8 izin alınarak değiştirildi ve uyarlandı. Telif Hakkı 2012, Amerikan Fizik Derneği, Telif Hakkı 2016, Amerikan Kimya Topluluğu. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.

Şekil 3
Şekil 3: Yüzeysel LC yapısının termodinamik değişiminin analizi. a ) Perfluoropolimer yüzeyinde bir CCN47 damlacık ve perfloropolimer yüzey üzerinde bir LC hücresi kullanılarak sıcaklığa göre GI-XRD paternindeki değişim. P hizalama tabakası malzemesi AL1254 olan bir yüzeydeki CCN47 damlacıklarının GI-XRD paterni referans olarak gösterilir. ( B ) GI-XRD'nin küçük açılı difraksiyon deseninin tam genişliğinden hesaplanan soğutma ve ısıtma üzerine smectik korelasyon uzunluğunun , ξ ∥ sıcaklık bağımlılığı. Bu rakam referans 7 , 8'den izin alınarak değiştirildi ve uyarlandı. Telif Hakkı 2012, Amerikan Fizik Derneği; Telif Hakkı 2016, American Chemical Society. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

5 μm'lik bir LC hücresi ( Şekil 1a ve b ) kullanılarak alınan 10x POM görüntüleri, birinci derece biçimde sıcaklık değişimi üzerine, toplu LC moleküllerinin yönelimli durumunun P ve V yönleri arasında geçiş yaptığını açıkça göstermektedir. Bu, etki alanı çekirdeklenme ve büyüme süreçleri ile işaretlenir ve başlangıç ​​yönünden 90 ° farklı yeni bir yönlendirme bulunur. Soğutma ve ısıtma sırasındaki geçiş sıcaklıkları sırasıyla 321.5 K ve 325.3 K'dır. CCN47'nin ~ 0.02 9'luk bir çift gerilimi olduğu için, LC hücrelerinin kalınlığı 5-20 um aralığında olduğunda Schlieren dokusunun görünürlüğü iyidir. Kalınlık bu aralıktan daha küçükse, Schlieren dokusunun geçirgenliği daha düşük olur ve bu durum daha kötü görme ile sonuçlanır. Öte yandan, kalınlık bu aralıktan daha büyükse, parazit ve saçılma POM görüntülerinde sapmalara neden olur, vi'yi düşürürVe etkin optik çözünürlük bile.

LC yönlendiricisinin eğilme açısını toplu haldeki normal yüzey ( örn . Kutup açısı) açısından kantitatif olarak araştırmak için, 1 kHz'lik sabit bir frekansta (iletken frekans aralığından çok uzakta) DS ölçümü, eşzamanlı olarak POM, sıcaklığın bir fonksiyonu olarak ( Şekil 1c ). Kullanılan LC'nin dielektrik anizotropisi, hem P hem de V hizalama katmanlarına sahip hücreleri kullanarak sıcaklığın bir fonksiyonu olarak önceden ölçülür olduğundan, yönelim geçişinde dielektrik geçirgenlik (ℇ) değişikliği kutuptaki değişime tercüme edilebilir Toplu halde LC'lerin açısı. Şekil 1c'de , hem soğutma hem de ısıtma üzerine ℇ izi, P (V) 'den V (P)' ye doğru oryantasyon geçişinin aniden ortaya çıktığı ve iz içinde büyük bir sıçrama olduğu açıkça göstermektedir. Büyük kesintiliğin, ℇOryantasyon geçişinin POM tarafından yapılan gözlemle tutarlı bir birinci derece doğası vardır. DS ölçümü, anizotropik malzemelerin kutup açısını ortalama olarak tahmin etmek için yeterince güçlü olmasına rağmen, derinlik çözünürlüğünden yoksundur ve düzlem içi azimuthal yönlendirme hakkında herhangi bir bilgi veremez.

Şekil 2a'da , 25 μm LC hücredeki İK-DSC izi, ~ 318 K'de soğutma üzerine (~ 328 K'de ısıtma) yönelim geçişinde geçişi sağlayan ısı akışındaki kademeli bir değişimi teyit eder; bu noktada, yığın yönelimli durum P'den V konumuna değişir. Ayrıca ~ 332 K'da dökme IN faz geçişindeki ısı anomalileri ve ~ 303 K'da dökme N-SmA faz geçişinde. 0.05-0.10 K / dak'dan daha yüksek bir tarama oranı, daha kötü sıcaklık çözünme gücü ve gürültüyle sonuçlanır Isı akışında dengeleyebilir ve hedef örneği denge dışına çıkaracaktır. Yönelme geçişinde ısı akışındaki yarı kademeli değişim eşlik etmezMoleküller arasındaki bağlarda depolanan potansiyel enerjiyi temsil eden ölçülebilir latent ısı. Bu, önemli bir latent ısı içeren normal LC ve kristalin faz geçişlerinden farklıdır. Bu, birim hacim başına ısı akış oranının, d Q / dt dV, direkt olarak özgül ısı kapasitesi Cp ile ilişkili olduğu anlamına gelir ( yani, dQ / dtdVCcp). Bu sonuç, P'den V'e oryantasyon geçişini tamamlayan yığın moleküllerinin ( X ) fraksiyonunu belirlemeyi mümkün kılar. Buna karşılık, bu, Kolmogorov-Johnson- Mehl-Avrami, (KJMA veya Avrami) analizi 16 , 17 , 18 . Şekil 2b , Avrami uydurmasını, denklem DenklemX , K , t ve n yeni alanların hacim fraksiyonu, sıcaklık bağımlı Avrami katsayısı, zamanı ve Avrami üssüdür ). N , heterojen bir çekirdeklenme ve daha sonra 2D büyüme arayüzey ıslatma prosesi düşündüren ~ 2.6 olduğu doğrulandı. Bu sonuç, normal toplu NLC'lerde izotropik-nematik geçiş için Avrami üssüne (≈ 3.6) tam tersi gelir (lütfen Referans 8'deki Destekleyici Bilgiler'e bakın). Mevcut KJMA analizinin HR-DSC'deki mükemmel sıcaklık özünürlüklü güç ve iyi sinyal-gürültü oranı sayesinde mümkün olduğunu unutmayın. Bu konvansiyonel DSC cihazlarıyla sağlanamaz. Bu teknik, ısı akışındaki küçük değişikliklere duyarlı olduğu için ( örn., Nanofilamentlerin çekirdeklenme / büyüme süreçleri bile saptanabilir olduğunda 19 ), küçük chan'ı ölçme potansiyeline sahiptirOrganik maddelerden metallere kadar uzanan herhangi bir maddenin yapıları ve evrelerinde bulunur. Buna ek olarak, bu tekniğin numune geometrisinde daha az sınırlamaya sahip olduğunu vurguluyoruz ( örn., Geleneksel DSC enstrümanları tarafından ölçülemeyen LC hücreleri).

Perfloropolimer yüzeyli numuneler için GI-XRD paternleri ( Şekil 3a ), I fazının 332 K 'dan farklı sıcaklıklarda yönlilikle hem SAD hem de WAD zirvelerini teyit eder. LC moleküllerinin uzun eksenlerindeki düzeni temsil eden eski, yüzeyle paralel olarak uzanır. LC moleküllerinin kısa eksenlerindeki düzeni temsil eden sonuncusu, birincisine dik olan pozisyonlarda bulunur. SAD tepelerinin yoğunluğu WAD tepelerinin yoğunluğundan daha güçlüdür ve SAD tepelerinin FWHM'si WAD tepelerinden daha dardur. Dağılım piklerinin FWHM'si, molekül arasındaki konumsal korelasyonun kuvvet derecesinin ilk ölçüsü olduğundanKümeler, LC moleküllerinin uzun eksenlerinde kısa olanlardan ziyade daha kuvvetli konumsal korelasyonun mevcut olduğu ortaya çıkmaktadır. Bu, yüzeyin yakınında yukarıda bahsedilen TGB'lerin mevcudiyetini göstermektedir. Şekil 3b'de görüldüğü gibi, birkaç moleküler uzunluğun smektik korelasyon uzunluğu nanometre ölçeğindedir. Yüzeyel bölgeye lokalize nanoskopik - mezoskopik ölçekte bu bilgiler sadece GI-XRD gibi yüzey duyarlı XRD geometrisi ile çıkarılabilir, ancak konvansiyonel aktarım ve yansıma geometrileri ile değil. Ayrıca, GI-XRD'nin olay açısı çok büyükse (~> 0,1 °), toplam yansıma durumu bozulacak ve yüzey spesifik yapılar artık araştırılamayacaktır.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.

Acknowledgments

Bu çalışma, JSPS KAKENHI tarafından 16H06037 numaralı hibe tarafından desteklenmiştir. HR-DSC için teknik yardım için Hokkaido Üniversitesi'nden Dr. Yuji Sasaki'ye içtenlikle teşekkür ederiz.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

Mühendislik Sayı 123 yönelim geçiş birinci derece geçiş ıslanma tabakaları polarize optik mikroskopi yüksek çözünürlüklü diferansiyel tarama kalorimetresi otlatma olayı x-ışını kırınması sıvı kristal
Yüzey Islatma Levhalarının Termodinamik Büyümesi ile tetiklenen Sıvı Kristalde Oryantasyon Geçişi
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Aya, S., Araoka, F. Orientational… More

Aya, S., Araoka, F. Orientational Transition in a Liquid Crystal Triggered by the Thermodynamic Growth of Interfacial Wetting Sheets. J. Vis. Exp. (123), e55729, doi:10.3791/55729 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter