Waiting
Login processing...

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

Chemistry

تقنيات الرواية لمراقبة ديناميات الهيكلية من بلورات سائلة فوتوريسبونسيفي

Published: May 29, 2018 doi: 10.3791/57612

Summary

وهنا، نقدم البروتوكولات التحليلات التفاضلية-الكشف لحل وقت الأشعة تحت الحمراء الذبذبات التحليل الطيفي والالكترون الحيود التي تمكن ملاحظات تشوهات الهياكل المحلية حول الجزيئات فوتوكسسيتيد في عمودي الكريستال السائل، إعطاء وجهة نظر الذري على العلاقة بين البنية وديناميات هذه المواد فوتواكتيفي.

Abstract

نحن نناقش في هذه المقالة القياسات التجريبية للجزيئات في المرحلة الكريستال السائل (LC) استخدام طيف الذبذبات حل وقت الأشعة تحت الحمراء (IR) وحيود الإلكترون حل الوقت. المرحلة الكريستالية السائلة هي دولة هامة لهذه المسألة التي توجد بين المراحل الصلبة والسائلة، ومن الشائع في النظم الطبيعية، وكذلك كما هو الحال في الإلكترونيات العضوية. أورينتاتيونالي أمرت البلورات السائلة ولكن وجبات فضفاضة، وذلك، يمكن تعديل والتشكلات الداخلية والتحالفات المكونات الجزيئية ل LCs بالمنبهات الخارجية. على الرغم من أن المتقدم حل الوقت كشفت تقنيات حيود picosecond-مقياس ديناميات الجزيئية لبلورات مفردة وبوليكريستالس، والملاحظات المباشرة لهياكل التعبئة وديناميات فائق السرعة من مواد لينة قد أعاقها ضبابية أنماط الحيود. هنا، نحن تقرير حل الوقت مطيافية الأشعة تحت الحمراء الذبذبات وديفراكتوميتري إلكترون للحصول على لقطات فائق السرعة لمادة LC عمودية تحمل مجموعة كور فوتواكتيفي. تحاليل الكشف عن الفرق من المزيج من الوقت--حل مطيافية الأشعة تحت الحمراء الذبذبات وحيود الإلكترونات أدوات قوية لوصف هياكل وديناميات فوتويندوسيد من مواد لينة.

Introduction

البلورات السائلة (LCs) مجموعة متنوعة من الوظائف، وتستخدم على نطاق واسع في التطبيقات العلمية والتكنولوجية1،2،،من34،،من56. يمكن أن يعزى سلوك LCs إلى على أورينتاشونال الأمر كذلك فيما يتعلق بتنقل تلك الجزيئات عالية. تركيب جزيئي المواد LC عادة تتميز بنواة ميسوجين وسلاسل الكربون طويلة مرنة تضمن قدرة عالية على الحركة من جزيئات LC. تحت المؤثرات الخارجية7،،من89،10،11،،من1213،14،15 ، مثل الضوء أو المجالات الكهربائية، والتغيرات في درجة الحرارة أو الضغط الميكانيكي، صغيرة داخل والالتماسات الجزيئات LC جزيئات قضية جذرية الهيكلي إعادة ترتيب في النظام، مما يؤدي إلى السلوك الوظيفي الخاص به. فهم المهام لمواد قانون العمل، من المهم تحديد هيكل الجدول الجزيئية في مرحلة LC وتحديد الاقتراحات الرئيسية والتشكلات الجزيئية والتشوهات التعبئة.

ويستخدم حيود الأشعة السينية (XRD) عادة كأداة قوية لتحديد هياكل LC المواد16،،من1718. ومع ذلك، غالباً ما أخفى نمط الحيود الناشئة من مجموعة أساسية تستجيب لمحفزات وظيفية بنمط هالة واسعة من سلاسل طويلة من الكربون. حل فعال لهذه المشكلة يتم توفيرها من قبل تحليل حيود حل الوقت الذي تمكن الملاحظات المباشرة لديناميات الجزيئية باستخدام فوتوكسسيتيشن. هذا الأسلوب تستخرج المعلومات الهيكلية حول moiety العطرية فوتوريسبونسيفي استخدام الاختلافات بين أنماط الحيود الحصول عليها قبل وبعد فوتوكسسيتيشن. هذه الاختلافات توفر وسيلة لإزالة الضوضاء الخلفية ولمراقبة التغييرات الهيكلية التي تهم مباشرة. وتكشف تحليلات أنماط الحيود التفاضلية إشارات التضمين من مجموعة فوتواكتيفي وحدها، ومن ثم استبعاد حيود ضارة من سلاسل الكربون غير فوتوريسبونسيفي. يرد وصف لهذا الأسلوب من التحليل التفاضلي الحيود في الهدا، وآخرونم.19.

قياسات حيود حل الوقت يمكن أن توفر معلومات هيكلية حول ترتيبات جديدة الذري التي تحدث أثناء مرحلة الانتقال في المواد20،21،،من2223، 24 , 25 , 26 , 27 , 28 , 29 والكيميائية التفاعلات بين الجزيئات30،،من3132،،من3334. مع هذه التطبيقات في الاعتبار، وقد تم إحراز تقدم ملحوظ في تطوير أولترابرايت ومتناهية نابض الأشعة السينية35،36 والالكترون37،،من3839 , مصادر 40 . ومع ذلك، حيود حل الوقت فقط تم تطبيق إلى جزيئات بسيطة ومعزولة أو إلى بلورات أحادية أو بولي، في التي أمرت بشدة شعرية غير العضوية أو الجزيئات العضوية إنتاج أنماط الحيود جيدا حلها توفير الهيكلية المعلومات. وفي المقابل، التحليل الهيكلي فائق السرعة من مواد لينة أكثر تعقيداً قد أعيقت بسبب مراحلها مرتبة أقل. في هذه الدراسة، ونحن تثبت استخدام حيود الإلكترون حل الوقت فضلا عن مطيافية الامتصاص عابرة والتحليل الطيفي الذبذبات حل وقت الأشعة تحت الحمراء (IR) لوصف ديناميات الهيكلية فوتواكتيفي LC المواد باستخدام هذا استخراج حيود منهجية19.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1.Time--حل الذبذبات مطيافية الأشعة تحت الحمراء

  1. إعداد نموذج
    1. الحل: يذوب جزيئات سيكلوكتاتيترايني الموسعة π (π-عند استخدام سرير) في الميثان مع التركيز السليم (1 ملمول/لتر).
    2. المرحلة LC: إذابة مسحوق π-عند استخدام سرير على الركازة فلوريد الكالسيوم (CaF2) استخدام لوحة الساخن عند درجة حرارة 100 درجة مئوية. تبريد العينة عند درجة حرارة الغرفة.
      ملاحظة: نحن بحاجة إلى اختيار مواد (CaF2 أو الباريوم الفلوريد (BaF2)) أن يكون شفافاً في نطاق منتصف الأشعة تحت الحمراء.
  2. إنشاء جهاز
    1. التبديل على ليزر ياقوت التيتانيوم (Ti:sapphire) ونبض زقزق مكبر للصوت. حرارياً استقرار لهم لعدة ساعات.
    2. تأكد من أن التحالفات غير صحيحة. تحقق من قوة واستقرار التحقيق منتصف الأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية (الأشعة فوق البنفسجية) المضخة وإعادة محاذاة المسار البصري إذا لزم الأمر. الإعداد الضوئية للأشعة تحت الحمراء الطيفي حل الوقت يرد في الشكل 5.
    3. بارد الصفيف كاشف HgCdTe الأشعة تحت الحمراء باستخدام النتروجين السائل. تأكد من أن والمطياف يقع بشكل صحيح حتى يتم الكشف عن هذا المبلغ معقول للضوء في نطاق الاهتمام. معايرة المطياف استخدام أطياف امتصاص المواد المعروفة مثل البوليستيرين أو البولي ايثلين.
    4. تحميل نموذج الذي يظهر كبير المستحثة بصورة عابرة استجابة (Si يفر (1 مم) أو Re(bpy)(CO)3Cl/CH3أهي الحل) على صاحب العينة. موقع التأخير مضخة-المسبار إلى قيمة إيجابية وتحسين كمية إشارة عابرة بإثارة شعاع مضخة لضمان تداخل مضخة-التحقيق.
    5. العثور على إعداد الأصل الوقت بأخذ التفحص البعيدة المدى على التأخير مضخة-التحقيق باستخدام برنامج الصنع (الشكل 6). التحقق من موقف حيث تبدأ إشارة عابرة الظهور.
    6. تحقق من ديناميات الاهتزاز المضادة المتماثلة وغير المتماثلة لشركة تمتد في Re(bpy)(CO)3Cl لحظات ثنائي القطب الذي متعامد. ملاحظة أن كليهما يجب إظهار الديناميات نفسها بالضبط عندما يتحقق الشرط زاوية السحرية بشكل صحيح.
  3. الحصول على البيانات والقياس
    1. الحل: تحميل الخلية تدفق الصنع. إعداد الجهاز محتدما مع غاز خامل (النتروجين (N2) أو الأرجون (Ar)) إذا لزم الأمر. المرحلة LC: جبل العينة π المغلفة بزيادة ونقصان-عند استخدام سرير مع الركيزة في مرحلة الآلية لنقل بقع الليزر بشكل مستمر على عينة للتقليل من الضرر الناجم عن الليزر.
    2. Doublecheck الوقت صفر الموقف بالعينة.
    3. تعيين نطاق المسح الضوئي لتأخير التحقيق مضخة بشكل صحيح (بداية ونهاية، والخطوة).
    4. اختر مجلداً لحفظ البيانات.
    5. بدء عملية جمع البيانات مع برنامج الصنع.
      ملاحظة: يتم تسجيل البيانات تلقائياً في الدليل.

2-حيود الإلكترون الوقت--حل

  1. تلفيق الركازة عينة
    1. شراء رقاقة سيليكون (001) (200 ميكرومتر سميكة)، كلا الجانبين التي مغطاة قبل نيتريد السيليكون الغنية بالسيليكون-سمكها 30 نانومتر (Si3ن4، أو ببساطة من الخطيئة) فيلم (الشكل 11ألف). قص رقاقة الخطيئة/Si/خطيئة في ساحة (15 × 15 مم2).
    2. تشعيع مع ع الكتلة أيون عوارض41 في فلوينس من 2.5 × 1016 أيونات/سم2 على أحد الجانبين ليفر الخطيئة/Si/خطيئة على الرغم من قناع معدني (الشكل 12)، وكافية لإزالة الفيلم الخطيئة-سمكها 30 نانومتر (الرقم 11 ب، ج).
      ملاحظة: أسلوب بديل لإزالة الخطيئة الفيلم هو النقش بالبلازما أو أيون الحزم النقش.
    3. تحضير هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH) محلول مائي بتركيز بنسبة 28%.
    4. وضع يفر إلى حل كوه عند درجة حرارة 60-70 درجة مئوية لمدة 1-2 يوما (الشكل 11د)، التي تؤدي كذلك النقش ليفر سي عبر الخواص الكيميائية النقش42.
      ملاحظة: معدل النقش للدولية الاشتراكية بكوه الحل أسرع بكثير من أن للخطيئة، حيث تبقى رقيقة الخطيئة كالأغشية الدعم الذاتي (الشكل 11ه).
    5. يفر مع الأغشية الخطيئة في المياه النظيفة والجافة مع غاز النيتروجين.
  2. إعداد نموذج
    1. تذوب الجزيئات π-عند استخدام سرير في كلوروفورم بتركيز 10 ملغ/مل.
    2. برنامج زيادة ونقصان-المغطى: الإسراع إلى 2000 دورة في الدقيقة في 5 ق، الاحتفاظ التناوب على 30 ثانية، وتوقف التناوب. زيادة ونقصان-معطف محلول π-عند استخدام سرير على الركازة غشاء الخطيئة كما هو مبين في الشكل 11و.
      ملاحظة: يجب أن تكون بحجم مناسب ويفر لطلاء تدور أكثر من 10 × 10 مم2، نظراً للتوتر السطحي في بعض الأحيان يتداخل مع طلاء تدور المواد على رقائق أصغر، على سبيل المثال، شبكة غشاء خطيئة مجهر إلكتروني.
    3. وضع العينة المغلفة على الركازة غشاء الخطيئة في وميكروريف عند درجة حرارة 100 درجة مئوية، وتذوب، وبارد عليه تدريجيا إلى درجة حرارة الغرفة (الرقم 11ز).
  3. القياسات
    1. جبل العينة على صاحب العينة مع المسمار ووضع صاحب العينة فراغ الغرفة (غرفة العينة).
    2. ختم الدائرة فراغ مع غطاء والتبديل في مضخة دوارة لإخلاء الدائرة حتى مستوى أقل من 1000 فراغ السلطة الفلسطينية. ثم التبديل على المضخات التوربينية الجزيئية حتى قاعة البندقية الإلكترون يتم على مستوى الفراغ ~ 10-6 باسكال (عادة لأكثر من 12 ح).
    3. التبديل على الليزر Ti:sapphire وغرد نبض مكبر للصوت، واستقرار لهم حرارياً لأكثر من 1 ح. الإعداد التجريبية من حيود الإلكترون حل الوقت يرد في الشكل 9. تعيين معدل التكرار إلى 500 هرتز.
    4. التبديل على فيلم الكاميرا جهاز اقتران (CCD) وبارد عليه إلى 10 درجات مئوية.
    5. التبديل في الإمداد بالطاقة الكهربائية، وضبط الجهد إلى 75 كيلو فولت.
      ملاحظة: يجب أن لا تتقلب الحالية تسرب للتيار الكهربائي خارج النطاق 0.1 µA.
    6. التداخل الخاصة. افتح البرنامج التلقائي المرمزة بمختبر (الشكل 10A) وتعيين زمن التعرض (50 مللي ثانية). البحث عن موقف شعاع الإلكترون مع ثقب مجهزة في صاحب العينة باستخدام البرنامج بتعيين نوع بدء التشغيل إلى Z_overlap لتداخل محور ع و Y_overlap والضغط الزر ابدأ .
    7. تعيين شعاع الإلكترون عند موضع الثقب ومحاذاة الليزر ضخ مع مضخة ينعكس الضوء من الثقب.
    8. قياس موقف الوقت-صفر مع مادة غير عضوية (ثنائي2تي3) على صاحب العينة باستخدام برنامج تلقائي المرمزة بمختبر (الشكل 10ب) بإعداد بدء تشغيل نوع حل الوقت والضغط الزر ابدأ. لهذه العملية، قم بضبط فلوينس مضخة إلى 2 مللي جول/سم2.
    9. إدراج كأس فاراداي للتمرير شعاع الإلكترون وقياس فلوينس شعاع الإلكترون مع بيكواميتير بناء المختبر وضبطه عن طريق تناوب تصفية ND قابل للتعديل على خط التحقيق. ضبط ثيفلوينسي نبض المضخة عن طريق تناوب وافيبلاتي على خط المضخة.
    10. الانتقال إلى وضع نموذج وتعيين وقت التعرض للكاميرا اتفاقية مكافحة التصحر. الحصول على صورة حيود الإلكترونات باستخدام برنامج التلقائي المرمزة بمختبر (الشكل 10ب) بإعداد بدء تشغيل نوع إلى واحد والضغط على زر ابدأ .
    11. التبديل على عنصر بلتيير الكاميرا CCD وبارد عليه وصولاً إلى درجة حرارة-20 درجة مئوية.
    12. تعيين الوقت-الخطوة واتخاذ عدد من الخطوات لقياسات الوقت وتصميما. الحصول على الصور حيود الإلكترون حل الوقت باستخدام برنامج التلقائي المرمزة بمختبر (الشكل 10ب) بتعيين بدء تشغيل نوع حل الوقت والضغط على زر ابدأ .
    13. الحصول على صورة خلفية حل الوقت مع إمدادات الطاقة تسارع الإلكترون إطفاء باستخدام برنامج تلقائي المرمزة بمختبر (الشكل 10ب) بتعيين بدء تشغيل نوع وقت حلها و الضغط على زر ابدأ .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

لقد اخترنا هيكل عظمى43،π على شكل السرج--عند استخدام سرير44 كوحدة أساسية فوتواكتيفي جزيء LC، لأنها تشكل بنية تراص عمودية محددة تحديداً جيدا، ونظرا لأن الحلبة عند استخدام سرير ثمانية وايبوكسي المركزية من المتوقع أن تظهر تغيير فوتويندوسيد كونفورماشونال إلى شكل مسطح سبب19،الدولة متحمس عطرية45. وتقدم العملية التركيبية لهذه المواد في السابق المنشور19. جزيء LC المركب يتكون من وحدة أساسية π-عند استخدام سرير والكربون الجذعية نموذجية سلسلة مجموعة46،47، مع الصيغة الجزيئية ج204ح324ن4س12S4 ( الشكل 1). معارض المواد مرحلة LC عمودي في درجة حرارة الغرفة، مما مكن التحليل الهيكلي LC المرحلة التي يتعين القيام بها دون التحكم في درجة الحرارة. ويبين الشكل 2 نمط زرد LC المرحلة التي تم الحصول عليها باستخدام الإشعاع Kα الاتحاد الجمركي. في الطيف، تظهر قمم عدة زوايا الحيود منخفضة (2θ < 10 °؛ د > 8.8)، جنبا إلى جنب مع ذروة عريضة بزاوية حيود واسعة (2θ ≈ 20 °؛ د ≈ 4.4 Å). ويتسم هيكل LC كنموذج عمودي مستطيل، التي محاذاة جزيئات السرج فوق بعضها البعض. تحليل زرد أسفرت عن معالم شعرية = 62 وب = 42. المسافة الجزيئات في عمود مكدسة على طول ج-المحور كانت تحجب ذروة حيود واسعة مصدرها مجموعة سلاسل الكربون الجذعية. هذا الوضع أمر شائع جداً للمواد LC عمودي نموذجية.

ديناميات فوتويندوسيد المواد LC عمودي تتألف من سلسلة اقتراحات الهيكلية في مقياس مختلفة. أولاً، يحدث تغييرا كونفورماشونال على المستوى الجزيئي. ويعقب هذا تشوهات هيكل التعبئة المحلية التي تجري في جميع أنحاء جزيئات فوتوكسسيتيد في أعمدة مكدسة π. نحن أولاً إجراء التحليل الطيفي انتقال عابر مع مختلف الطاقات مضخة والتحقيق على طبقات رقيقة من جزيء π-عند استخدام سرير، للتأكد من الإثارة البصرية والمرتبطين بها ديناميات فوتويندوسيد. مطيافية الامتصاص عابر هو نوع التقليدية حل وقت التحليل الطيفي، ومتاح تجارياً في هذه الأيام. 100 fs نبض بصري من مكبر زقزق--نبض خاص تنقسم عوارض مضخة والتحقيق. النبض في شعاع مضخة (مضخة النبض) في طول موجي 800 نانومتر يتم تحويلها إلى الفوتونات من الطول الموجي نانومتر 266 من بلورات بورات (بو) الباريوم بيتا اثنين. وتركز النبض في شعاع مجس (مسبار نبض) من خلال نافذة ياقوت لتوليد الضوء الأبيض (500-700 nm). النبضات الضوئية هما تتركز على العينة باستخدام عدسات تنصهر السيليكا، وفرَّقت والمطياف شعاع مسبار الأبيض المنقولة والكشف مع الضوئي Si. وكان فلوينس الحادث الشعاع المضخة المستخدمة في تجاربنا 1 مللي جول/سم2. تنتشر على الركازة الأكبر CaF2العينة، ذاب في 100 درجة مئوية على طبق ساخن، وثم يبرد تدريجيا لدرجة حرارة الغرفة. المجمع الأحيائي2 وركائز2 CaF تتسم بالشفافية على نطاق الطول الموجي من 150 نانومتر إلى 12 ميكرون و 130 نانومتر إلى 10 ميكرون، على التوالي. مجموعة قابلة للقياس للطول الموجي لهذه المواد يعتمد على سماكة العينة والركيزة فضلا عن كثافة الضوء الأشعة تحت الحمراء.

الشكل 3 A يظهر نفاذية مرئية عابرة في الطاقات مضخة ومسبار 4.7 eV وحوالي 2.1 eV (الأطوال الموجية من 266 و 500-700 nm)، على التوالي. هو متحمس جزيء الذي يمتص الأشعة فوق البنفسجية فورا إلى دولة بعيدة من التوازن (Sn) ونقل إلى الدولة1 S داخل ps 2، كما هو مبين في الشكل 3ب. مرة واحدة في S1 أو تي1 الدولة، الجزيء يعود إلى الدولة0 S في 20 أو 150 ps (الشكل 4). ومع ذلك، تظل نسبة صغيرة من الجزيئات في الدولة متحمس لأكثر من 1 نانو ثانية. نحن مزودة منافذه عابر بالمعادلة التالية:

ΔT/T = A1exp (-t / τ1) + أكسب2 A(- t / τ2 ) + A3، (1)

حيث تشير شروط الأولى والثانية إلى تحلل أسي مع الوقت-ثوابت τ1 = 20 س و τ2 = 150 ps. المصطلح الثالث يشير إلى الانحلال من مقياس الوقت حتى لفترة أطول (> ملاحظة: 500).

لتأكيد التغيير كونفورماشونال فوتويندوسيد، أجرينا حل الوقت مطيافية الأشعة تحت الحمراء الذبذبات على رقيقة π-عند استخدام سرير في المرحلة LC. الإعداد التجريبي لمضخة الأشعة فوق البنفسجية في طول الموجه من 266 نانومتر ومنتصف الأشعة تحت الحمراء (IR) التحقيق في الطول الموجي لسم 1050-1700-1 حل وقت الأشعة تحت الحمراء الطيفي الذبذبات48،49،50،51 ويرد في الشكل 5. يتم عرض واجهة المستخدم الرسومية البرنامج التلقائي المرمزة بالمختبر في الشكل 6. وأجريت القياسات في طريقة انتقال لجزيئات π-عند استخدام سرير في الحل (1 ملمول/لتر في الفصل2Cl2 مذيب) والمرحلة LC المغلفة على الركازة2 CaF. نبض بصري القرب من الأشعة تحت الحمراء (800 nm)، مع مدة نبض خ 120، فصلت في عوارض مضخة والتحقيق مع الخائن شعاع. نبض مضخة تم تحويلها إلى الأشعة فوق البنفسجية (266 nm) نبضة عن طريق اثنين بو بلورات وبلورة كالسيت. شعاع واحد من نبض التحقيق تم تحويلها إلى الطول الموجي منتصف الأشعة تحت الحمراء (1000-4000 سم-1) باستخدام مكبر للصوت حدودي ضوئية مزودة بكريستال الفرق الجيل التردد، أجاس2. وركزت على العينة مع عدسات مضخة الأشعة فوق البنفسجية والبقول مسبار منتصف الأشعة تحت الحمراء. تم تعيين حدوث عوارض مضخة والتحقيق من زاوية ليكون تقريبا عمودياً على سطح العينة. معدل التكرار وفلوينس الحادث من نبض مضخة الأشعة فوق البنفسجية كانت 500 هرتز و 1 مللي جول/سم2، على التوالي. نبض تحقيقا واسع النطاق الترددي كان فرقت [غرتينغ]، ثم حصلت عليها مجموعة كاشف الأشعة تحت الحمراء HgCdTe 64-قناة،. رد السليكون الإلكترونية فائق السرعة استخدمت لتحديد "الساعة الصفر"52 عند نبضات المضخة والتحقيق سيصل في وقت واحد في الموضع عينة. واستخدمت أنواع مختلفة من أصحاب عينة لقياس العينات في الحل، وفي مرحلة LC. شنت LC المغلفة في CaF الركيزة2 عقدت المشبك على حامل بصري بسيط على دولة مزودة بمحركات. مرحلة يجهز نقل العينة بالنسبة لليزر التركيز بقعة إينكوهيرينتلي مع قياسات مسبار مضخة للتقليل من الضرر الناجم عن الليزر. على النقيض من ذلك، عرض خلية تدفق السائل بنيت المختبرات مجهزة باثنين من النوافذ2 معامل التراكم الأحيائي، مع مسار بصري بطول 100 ميكرون من خلال العينة العينة في الحل. الخلية تدفق السائل نظام حلقة مغلقة تم توفيره بواسطة مضخة الحجاب حاجز.

تم تعيين أوضاع الأشعة تحت الحمراء نشط الملاحظ في السرج وهياكل شقة وفقا لنظرية الكثافة الوظيفية (إدارة مكافحة الجريمة المنظمة) تواتر العمليات الحسابية. وترد تفاصيل الحسابات إدارة مكافحة الجريمة المنظمة في النص الرئيسي، وفي المواد التكميلية ل المنشور السابق19. ما نتج عن ذلك الوقت-حل الأطياف عرض تطور وسائط الذبذبات الجزيئية لوحدة مستو π-عند استخدام سرير. يبين الشكل 7 طيف الذبذبات التفاضلية في وقت تأخير 100 ps، جنبا إلى جنب مع المحسوبة T1-S0 التفاضلية الذبذبات الطيف، التي تم الحصول عليها عن طريق طرح طائفة شكل السرج في S0 من الطيف في شكل مسطح في تي1. ويوضح الشكل أن البيانات التجريبية والعمليات الحسابية بشكل عام الاتفاق مع بعضها البعض. تم الحصول على اتفاق أفضل مع تي1-S0 الطيف من الطيف0 S1-S، وعلى الرغم من أن كلا من S1 وتي1 الأمثل هياكل معارضها والتشكلات شقة مماثلة. وبعد فوتوكسسيتيشن، لاحظنا عدة قمم في أطياف الذبذبات. 1338 و 1489-1 سم على قمم مميزة في وافينومبيرس 1183، تتوافق مع طرق تمتد الخواتم سرير وثيازولي أو مويتيس ثنائي الفينيل، التي ضعيفة أو غير نشط الأشعة تحت الحمراء في شكل السرج في ق0 ولكن شدة الأشعة تحت الحمراء-نشطة في شكل مسطح في تي1. ويكشف تطور الزمن تعتمد على كثافة الذروة في سم 1338-1 ديناميات مماثلة لتلك التي لاحظت استخدام التحليل الطيفي انتقال ظاهرة عابرة. وهكذا، تتسم ديناميات فوتويندوسيد على المستوى الجزيئي بتغيير conformational السرج إلى شقة لوحدة π-عند استخدام سرير داخل ps 2، تليها الاسترخاء مرة أخرى إلى شكل السرج الأولى في 10-20 ps أو 150 ps (الشكل 8أ). أطياف الأشعة تحت الحمراء حلها في وقت كانت مزودة أيضا بمكافئ. (1). وفقا للوقت-تطور كثافة الذروة الأشعة تحت الحمراء (سم 1335-1) من π-عند استخدام سرير في الحل (الشكل 8ب)، لوحظ فقط سريع الوقت-الثابت (ملاحظة: 10-20). ولذلك، يناظر ثابت الوقت سريع لاحظ في الشكل 3ب ، و الرقم 8ب الاسترخاء ديناميات الجزيئات المعزولة، التي تقع عادة على السطح أو الواجهة من مواد قانون العمل.

دراسة تشوه التعبئة في مواقع الجزيئات فوتوكسسيتيد في مرحلة LC مكثف، أجرينا قياسات حيود الإلكترون حل الوقت. الإعداد التجريبية المستخدمة للاتفاق، تسارع التيار المباشر (DC) القياسات حيود الإلكترونات53،54 ويرد في الشكل 9. واجهات المستخدم الرسومية من البرامج التلقائية ترميز مختبر مبينة في الشكل 10. عملية إعداد عينة ويرد في الشكل 11، وتم تحديد سمك الفيلم عينة مع طول موجي واحد (635 نانومتر) اليبسوميتير أن يكون ~ 100 شمال البحر الأبيض المتوسط، حيث يتم توفيرها المنهجية في الهدا، وآخرون. 55-وترد تفاصيل القناع المعدنية المستخدمة تشعيع الشعاع أيون الكتلة في الشكل 12.

نبض بصري القرب من الأشعة تحت الحمراء (800 nm) مع النبض أنهيت مدة خ 120 مع الخائن شعاع إلى الحزم اثنين: مضخة شعاع وشعاع التحقيق. نبض قرب الأشعة تحت الحمراء في شعاع مضخة تم تحويلها إلى الأشعة فوق البنفسجية (266 نانومتر) نبض استخدام الجيل الثاني-التوافقي (SHG) في بلورة بو تلي بلورة كالسيت، وآخر بو كريستال للجيل الثالث-التوافقي (THG). كريستال الكالسيت يستخدم لضبط وقت وصول الضوء الأساسية وعلى ضوء SHG حيث يصلون في وقت واحد في البلورة بو الثاني ل THG. وتركز نبض المضخة بعدسة والسليكا فوسيد إلى فوتوكسسيتي الفيلم ~ 100 نانومتر سميكة من جزيء π-عند استخدام سرير في المرحلة LC. وبالمثل تم تحويلها إلى نبض الأشعة فوق البنفسجية نبض قرب الأشعة تحت الحمراء في شعاع المسبار وركز على إلكترونية الذهب لتوليد ذبذبة إلكترون. كانت تمتد نبض الأشعة فوق البنفسجية المستخدمة لتوليد الإلكترونات من صفيحة السليكا تنصهر سميكة 25 مم لمدة > 500 خ. فراغ الغرفة تستخدم للوقت وتصميما فصلت حيود الإلكترونات في جزأين، أي، الدائرة بندقية، والدائرة عينة. إلكترونية والقطب ووضعت في قاعة البندقية الإلكترون مستوى فراغ من السلطة الفلسطينية ~ 10-6 ، ووضعت العينة في قاعة العينة على مستوى فراغ من ~ 10-4 السلطة الفلسطينية. وكان تسارع نبض الإلكترون إلى طاقة 75 كيلو حسب حقل DC. وتركزت الإلكترونات التي كانت ديفراكتيد وتنتقل مباشرة من خلال العينة مع عدسة مغناطيسية على كاميرا اتفاقية مكافحة التصحر إلى جانب الألياف 1:2 المغلفة مع سسينتيلاتور فوسفور (2س ش ج2S:Tb) P43. قد تباينت وقت التأخير بين نبضات المضخة والتحقيق للدولة ضوئية في شعاع مضخة.

نبض بقعة أحجام المضخة الأشعة فوق البنفسجية وتم قياس النبض إلكترون التحقيق أن 210 و 100 ميكرومتر، على التوالي، باستخدام حافة سكين. وكان فلوينس الليزر الحادث 1.2 مللي جول/سم2. من انتقال العدوى وانعكاسيه لقياس العينة بنسبة 40 في المائة و 30 في المائة، على التوالي، تم تحديد فلوينس الاستيعاب على أنه 0.36 مللي جول/سم2. فوتويندوسيد تغييرات هيكلية داخل المواد وتم التحقيق مع إلكترون البقول التي تحتوي على الإلكترونات4 × 10 2 (إف سي 3). تم تحديد الساعة الصفر من استجابة فائق السرعة-الذرية المواد غير العضوية (بي2تي3)56. أن يكون بناء على أمر من 1 ps تحددها طريقة بلازما57مدة نبض شعاع الإلكترون. أن العلاقة بين س-قيمة وحجم بكسل في الكاميرا CCD أيضا معايرة باستخدام (110) والبقع الحيود (300) من بي2تي3. للحصول على صورة حيود الإلكترونات، جمعت4 × 10 1 إلكترون البقول بمعدل تكرار 500 هرتز. تتحدد نوعية الغشاء الخطيئة بنمط حيود الإلكترونات، أي، نمط حيود الإلكترونات لا يمكن ملاحظته من الغشاء الخطيئة لأنها غير متبلور (الشكل 13أ).

ولاحظ أنماط حيود الإلكترون ثنائية الأبعاد من LC رقيقة أظهرت حلقة هالة واسعة غير محددة، والتي تنشأ من سلاسل الكربون الطويلة (الشكل 13ب)، مماثلة لذروة زرد على نطاق واسع في زاوية الحيود 2θ ≈ 20 °. هذا هالة واسعة النطاق، التي عادة ما يلاحظ في مواد LC، يتكون من عدد من قمم الحيود تنتجها سلاسل الكربون الطويلة وقمم قليلة مصدرها مجموعة وظيفية أساسية (الشكل 14). تحت المؤثرات الخارجية، مثل فوتويرادييشن، هي الناجمة عن التشوهات الهيكلية حول مويتيس أساسية تستجيب للمنبهات والتحوير الذروة في نمط حيود يحدث في وقت لاحق. عن طريق طرح نمط حيود الأولية من الحصول على 500 ps بعد التشعيع نبض الأشعة فوق البنفسجية، نحن استخراج نمط حيود التضمين الناجم عن إشعاع الأشعة فوق البنفسجية. نمط حيود التفاضلية الناتجة عن ذلك يعرف جيدا، مع وضوح ملاحظتها الحلقات السلبية والإيجابية (الشكل 13ج)، على الرغم من كميات صغيرة من التحوير الذروة. تختفي على قمم السلبية من الهيكل الأصلي عند فوتويرادييشن، بينما قمم إيجابية تشير إلى تشكيل الهيكل الجديد لأمر.

المتوسطات شعاعي من أنماط الحيود التفاضلية في-50 و 500 ps بعد التشعيع نبض الأشعة فوق البنفسجية وترد في الشكل 15ألف. يلاحظ قمم السلبية لتطوير في س-قيم Å 0.245-1 و Å 0.270-1. استخدام عمليات محاكاة ديناميات الجزيئية (MD)، قمنا بحساب نمط حيود الإلكترونات التفاضلية هو مبين في الشكل 15ب. وترد تفاصيل الحسابات العضو المنتدب في النص الرئيسي والمواد التكميلية من مرجع 19. تركيب البيانات التجريبية لمحاكاة MD يوحي بأن الهيكل على الدوري أطوال 4.55 Å و 3.7 Å المقابلة لدورية جزيئات π-عند استخدام سرير على ج-المحور والمسافة بين π-مكدسة، قبل فوتوكسسيتيشن، وحدات ثنائي الفينيل، على التوالي. كما تجدر الإشارة إلى أن ديناميات المقابل لوحظ استخدام حيود الإلكترون حل الوقت. يظهر الوقت-تطور كثافة على قمم الحيود سلبية وإيجابية في الشكل 16. يحدث على مقياس من 300 ps تدمير ترتيب التراص π-π وهو أبطأ من السرج إلى شقة conformational تغيير إطار الجزيئية. ذروة الإيجابية (في Å 0.37-1) يبدأ بزيادة 200 ps بعد فوتوكسسيتيشن.

للمزيد من التفسير حل وقت التحليل الطيفي والحيود، يجب التصدي لمستوى فوتوكسسيتيشن العينة. استخدام العدد من الحوادث الفوتونات (1.2 مللي جول/سم2) وعدد الجزيئات في وحدة المساحة، حسبنا أن حوالي 25% الجزيئات امتصاص الأشعة فوق البنفسجية، ويحتمل أن تخضع للتغيير conformational السرج إلى شقة. كما يتضح من التحليل الطيفي انتقال عابر وحل وقت مطيافية الأشعة تحت الحمراء الذبذبات، معظم فوتوكسسيتيد جزيئات خففت إلى الحالة الأولية في 150 ps، ولكن بعض الجزيئات أظهرت ديناميات بطيئة نوعا ما في مرحلة LC. على وجه الخصوص، 7-8 في المائة جزيئات فوتوكسسيتيد، في أكثر من 2 في المائة من جميع الجزيئات في المادة، وظل في تكيف مسطحة لملاحظة 300-1000. وهكذا، كانت تقع هذه الجزيئات فوتوكسسيتيد بالأرض بين جزيئات على شكل السرج اوناكسستد. استكشاف التشوهات التعبئة اللاحقة في أعمدة مرصوفة، أجرينا كذلك حسابات MD، النظر في خمسة الجزيئات المرصوفة مرتبة بترتيب كونفورميرس السرج-السرج-مسطحة-السرج-السرج. في بنية عمودية، يدفع التغيير conformational السرج المسطحة من جزيء فوتوكسسيتيد كبير التنافر النضال ضد الأجزاء جامدة ثنائي الفينيل من الجزيئات المجاورة. لتجنب إعاقة الفراغية، تسبب التشوهات الهيكلية المحلية الطلبات التواء في الجزيئات المرصوفة في مقياس الوقت لملاحظة ~ 300.

في الشكل 17، يمكننا تلخيص النتائج التي توصلنا إليها لديناميات الجزيئات π-عند استخدام سرير فوتويندوسيد. مشغلات الأشعة فوق البنفسجية-فوتوكسسيتيشن تغيير كونفورماشونال السرج إلى شقة داخل بيكوسيكوندس قليلة في تي1 أو S1 الأساسية فوتوريسبونسيفي. معظم من جزيئات على شكل شقة، ومتحمس إلكترونيا الاسترخاء على أشكالها الأصلية داخل ps 20 (للجزيئات معزولة) أو 150 ps (للجزيئات المرصوفة). ومع ذلك، تظل نسبة مئوية صغيرة في مرحلة LC، تقع بين جزيئات على شكل سرج. نظراً للآثار الفراغية بين الجزيئات بشكل مختلف على شكل هيكل تعبئة عمودي، تحدث التواء الاقتراحات ضمن 300 ps، تدمير بنية التراص المحلية، وبناء مواعيد جديدة.

Figure 1
الشكل 1: التركيب الكيميائي π-المستندة إلى عند استخدام سرير جزيء LC. الصيغة الجزيئية للجزيء LC π-المستندة إلى عند استخدام سرير هو ج204ح324ن4س12S4 مع وزن الجزيئي من 3153.03. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 2
الشكل 2: الطيف زرد ثابت- يعرض نمط حيود الأشعة السينية عدة قمم، كما هو مبين بالأسهم الحمراء. إحالة الذروة التي تشير إليها الأسهم الحمراء تظهر في المواد التكميلية من الهدا، وآخرون. 19. بطانية الأزرق يشير إلى الذروة (001) جزيء π-عند استخدام سرير. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 3
الشكل 3 : الوقت تطور الطيف انتقال عابر. (أ) ارتفاع عنصر إشارة وقت ثابت 2 ps، وهي (ب) وقت الاسترخاء-الثوابت ps 20 و 150. وهذا الرقم قد تم تكييفه من الهدا، وآخرون. 19- الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 4
الشكل 4 : مخطط الطاقة التخطيطي لتغيير كونفورماشونال π-عند استخدام سرير كور unit. الانتقال الديناميكية من سرج (ق0) إلى بنية مسطحة (S1 أو تي1) يتحدد من انتقال عابر الطيف. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 5
الشكل 5: رسم تخطيطي عرض الإعداد التجريبي لحل الوقت مطيافية الأشعة تحت الحمراء الذبذبات. مذبذب Ti:sapphire يولد نبض الأشعة تحت الحمراء بطول موجي 800 نانومتر، ومدة نبض خ 120، قوة ~ 10 nJ وتكرار معدل 80 ميغاهيرتز. مضخم نبض زقزق تضخيم هذا النبض بقوة ~ 4 مللي جول ومعدل تكرار من 1 كيلو هرتز. رموز BS, λ/2، بوس والكالسيت، و ODL تمثل شعاع الخائن، وافيبلاتي λ/2، بو وبلورات الكالسيت وخط التأخير البصرية، على التوالي. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 6
الشكل 6: واجهة المستخدم الرسومية لبرنامج بناء مختبر لحل الوقت مطيافية الأشعة تحت الحمراء الذبذبات. (أ) إعداد وحدات للتأخير. (ب) مراقبة لوحات مطياف الأشعة تحت الحمراء HgCdTe. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 7
الشكل 7: تيمطيافية الأشعة تحت الحمراء ime وتصميما π-المستندة إلى عند استخدام سرير LC رقيقة. (أ، ب) قياس طيف الذبذبات الأشعة تحت الحمراء التفاضلية مع تأخير زمني من 100 ps مقارنة بطيف الذبذبات التفاضلية المحسوبة (تي1-S0). عامل التحجيم الطيف المحسوب هو 0.97. (ج) إحالة ذروة الذبذبات الطيف1 ر. وتصنف القمم وسائط الذبذبات الخواتم سرير وثيازولي، ومجموعة الكوكسي أو مجموعة ثنائي الفينيل. وهذا الرقم قد تم تكييفه من الهدا، وآخرون. 19- الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 8
الشكل 8 : الوقت تطور كثافة الذروة الأشعة تحت الحمراء- (A) وافينومبيرس الممثل هي سم 1338-1 في المرحلة LC و (ب) سم 1335-1 في مرحلة الحل. سريع (20 س) وثوابت الوقت بطيء (ملاحظة: 150) متطابقة لديناميات لاحظ في عزل جزيئات والجزيئات في مرحلة LC. النقاط السوداء والخطوط الحمراء الصلبة تمثل البيانات التجريبية والمنحنيات الأسية المجهزة قدمها مكافئ. (1)، على التوالي. اقحم الأرقام تمثل آراء كل عرض ويثلوجاريثميك الشكل الموسع. وهذا الرقم قد تم تكييفه من الهدا، وآخرون. 19- الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 9
الشكل 9: التخطيطي الرسم التوضيحي للإعداد التجريبية حيود الإلكترون حل الوقت. مكبر زقزق نبض خاص يولد نبض بصري مع طول موجي 800 نيوتن متر، ومدة النبضة من خ 120، قوة ~2.5 mJ، ومعدل تكرار من 1 كيلو هرتز. رموز بوس والكالسيت، خ، ونادي تمثل بو وبلورات الكالسيت، والسليكا فوسيد وكاب فاراداي، على التوالي. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 10
الشكل 10: رسم واجهة المستخدم للبرامج من أجل حيود الإلكترون حل الوقت. (أ) واجهة المستخدم الرسومية للتداخل الخاصة. مساحة الصورة يظهر شعاع الإلكترون تم تمريرها من خلال الثقب. منطقة الرسم يظهر كثافة شعاع الإلكترون مع وظيفة من الوظائف ذات الثقب. نقل مراحل محور ع والمحور الصادي مزودة بحامل العينة (والثقب) تلقائياً والمرسومة كثافة شعاع الإلكترون عند أحد يحدد بدء نوع Z_overlap و Y_overlapومن ثم يضغط ابدأ زر. (ب) واجهة المستخدم الرسومية للقياسات حيود الإلكترون حل الوقت. مساحة الصورة يظهر الإلكترون أنماط الحيود. مرحلة خط التأخير الضوئية ينتقل تلقائياً، ويتم الحصول على أنماط حيود الإلكترونات عند أحد يقوم بتحديد نوع بدء التشغيل حل الوقت، ثم يضغط على زر ابدأ . أيضا يتم الحصول على الحيود الثابتة مع تحديد بدء نوع واحد وضغط الزر ابدأ . الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 11
الشكل 11: البروتوكول جعل غشاء خطيئة. (أ) ويفر سي فهي مغلفة بطبقة رقيقة خطيئة على كلا الجانبين. (ب، ج) تشعيع استخدام شعاع أيون كتلة ع يزيل الخطيئة رقيقة على جانب واحد من يفر. (د) Si النقش مع حل كوه. (ﻫ) "خطيئة" غشاء للركيزة عينة. (و) الحل العينة المغلفة تدور على الجانب الأمامي من الركازة. (ز) يتم تسخين العينة على الركازة تصل إلى 100 درجة مئوية وتبريد وصولاً إلى درجة حرارة الغرفة. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 12
الشكل 12: تصميم قناع معدني. قناع معدني مصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ. حجم الثقوب (د: 1.1 مم) يتحدد بحجم النافذة (w: 0.5 مم) وسمك الرقاقة (l: 0.3 مم) عقب معادلة د = ث + 2لتر. يمكن إنشاء نوافذ مربعة الشكل من ثقوب مستديرة الشكل بسبب النقش الخواص ليفر سي. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 13
الرقم 13: أنماط حيود الإلكترونات من π-المستندة إلى عند استخدام سرير LC رقيقة. (أ) نمط حيود الإلكترونات من الركازة غشاء الخطيئة. (ب) الإلكترون الحيود نمط من π-المستندة إلى عند استخدام سرير LC رقيقة دون فوتوكسسيتيشن. (ج) نمط حيود التفاضلية المستندة إلى عند استخدام سرير fromπ LC رقيقة الحصول عليها مع أو بدون فوتوكسسيتيشن. هي أشرطة مقياس اقحم في الشكل. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 14
الرقم 14 : تخطيطي أسلوب حيود التفاضلية. (أ) على قمم من مويتيس فوتوريسبونسيفي مدفونة في نمط هالة واسعة من سلاسل طويلة من الكربون. (ب) يمكن الكشف عن طريقة حيود التفاضلية على قمم من مويتيس فوتوريسبونسيفي. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 15
الرقم 15: حيود الإلكترون فائق السرعة الوقت وتصميما من π-المستندة إلى عند استخدام سرير LC رقيقة. (أ) نمط حيود الإلكترونات التفاضلية في-50 و 500 ps. تشير الأسهم الأحمر والأزرق إلى قمم الإيجابية والسلبية، على التوالي. (ب) استناداً إلى حساب العضو المنتدب من بنية عمودية مكدسة π نمط حيود الإلكترونات التفاضلية المحاكاة. وهذا الرقم قد تم تكييفه من الهدا، وآخرون. 19- الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 16
الرقم 16: الوقت تطور ذروات حيود الإلكترونات. (أ) س-قيم 0.245 Å-1 و (ب) 0.37 Å-1. هنا، فيتم تعريف القيمة كعدد المسافة شعرية (د) المعاملة بالمثل. أشرطة الخطأ هذا الانحراف المعياري للقياسات 20. وهذا الرقم قد تم تكييفه من الهدا، وآخرون. 19- الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 17
الشكل 17: الديناميات الهيكلية فوتوكسسيتيد LC عمودي- ولوحظت ديناميات هيكل LC عمودي استخدام حل الوقت مطيافية الأشعة تحت الحمراء الذبذبات وحيود الإلكترون حل الوقت. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

خطوة حاسمة من العملية خلال القياسات حيود الإلكترون حل الوقت هو الحفاظ على الجهد العالي (75 كيلو إلكترون فولط) دون التقلبات الحالية منذ المسافة بين إلكترونية والانود لوحة ~ 10 ملم فقط. إذا الحالية يتقلب أعلاه نطاق 0.1 µA قبل أو أثناء التجارب، بزيادة الجهد تسارع يصل إلى 90 كيلو إلكترون فولط تصريف وتعيينها مرة أخرى إلى 75 كيلو إلكترون فولط. عملية تكييف هذا ما ينبغي القيام به حتى يتقلب الحالية في نطاق 0.1 µA. تصميم مصدر الإلكترون بما يكفي من قوة العزل الكهربائي السليم هو أهم نقطة تطوير هذا النوع من الجهاز.

وبصفة عامة، يمكن تطبيق حل الوقت مطيافية الأشعة تحت الحمراء الذبذبات وتقنيات حيود الإلكترون حل الوقت للمواد التي تخضع لتغيرات هيكلية فوتويندوسيد فقط. ومع ذلك، هذه التقنيات لها مزايا كبيرة لمراقبة ديناميات الهيكلية على مواد لينة لأن المسبار الإلكترون أكثر حساسية لمواقف العناصر الخفيفة (الكربون، الأوكسجين، والنيتروجين، والهيدروجين، إلخ.) من مسبارات الأشعة السينية، و لأن التحقيق منتصف الأشعة تحت الحمراء أكثر حساسية للذبذبات طريقة الروابط بين العناصر الخفيفة من الضوء مع مجموعة أخرى من الطول الموجي.

وباختصار، التحليلات التفاضلية-الكشف عن مزيج من الوقت-حل ديفراكتوميتري الأشعة تحت الحمراء الطيفي والالكترون الذبذبات يمكن تقديم الملاحظات المباشرة للهياكل وديناميات مواد LC. يمكن تطبيق هذا النهج أكثر عموما لتحديد الاقتراحات الهيكلية المحلية للوحدات تستجيب للمنبهات في نظم معقدة المسألة لينة، مثل البروتينات غشاء الخلية، مما يشير إلى اتجاه جديد للعلوم لديناميات الهيكلي فائق السرعة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

الكتاب ليس لها علاقة بالكشف عن.

Acknowledgments

ونحن نشكر الدكتور س. تاناكا في "معهد طوكيو للتكنولوجيا" لحل الوقت قياسات الذبذبات مطيافية الأشعة تحت الحمراء والحارة م. أ. د. والدكتور ك. ماتسو في جامعة ناغويا للقياسات XRD. نحن أيضا بفضل ياماغوتشي S. الأستاذ في جامعة ناغويا، أ. د. ر. هيرجيس في جامعة كيل وا. د. ر. ج. د ميلر في معهد ماكس بلانك لهيكل وديناميات هذه المسألة لمناقشة قيمة.

يتم دعم هذا العمل بتكنولوجيا العلوم اليابانية (JST)، المعزوفة، لتمويل المشاريع "التكنولوجيا الجزيئية وخلق وظائف جديدة" (منحة عدد من JPMJPR13KD و JPMJPR12K5 و JPMJPR16P6) و '' تحويل الطاقة الضوئية الكيميائية ''. هذا العمل تدعمه أيضا جزئيا JSPS منحة أرقام JP15H02103، JP17K17893، JP15H05482، JP17H05258، JP26107004، و JP17H06375.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Chirped pulse amplifier Spectra Physics Inc. Spitfire ACE For time-resolved IR vibration spectroscopy
Chirped pulse amplifier  Spectra Physics Inc. Spitfire XP For time-resolved electron diffractometry
Femtosecond laser Spectra Physics Inc. Tsunami For time-resolved IR vibration spectroscopy
Femtosecond laser Spectra Physics Inc. Tsunami For time-resolved electron diffractometry
Optical parametric amplifier Light Conversion Ltd. TOPAS prime
64-channel mercury cadmium tellurium IR detector array Infrared Systems Development Corporation FPAS-6416-D
FT-IR spectrometer Shimadzu Corporation IR Prestige-21
High voltage supply Matsusada precision HER-100N0.1
Rotary pump Edwards RV12
Molecular turbo pumps Agilent Technologies Japan, Ltd. Twis Torr 304FS
Vacuum gauges Pfeiffer vacuum systems gmbh PKR251 For ICF70 flange
Vacuum monitors Pfeiffer vacuum systems gmbh TPG261
Fiber coupled CCD camera Andor Technology Ltd. iKon-L HF
BaF2 and CaF2 substrates Pier optics Thickness 3 mm
AgGaS2 crystal Phototechnica Corporation Custom-order
BBO crystals Tokyo Instruments, Inc. SHG θ=29.2 deg
THG θ=44.3 deg
calcite crystals Tokyo Instruments, Inc. Thickness 1mm
Optical mirrors Thorlabs PF10-03-F01
PF10-03-M01
UM10-45A
Al coat mirrors
Au coat mirrors
Ultrafast mirrors
Optical mirrors HIKARI,Inc. Broadband mirrors
Dichroic mirrors HIKARI,Inc. Custom-order
Reflection: 266 nm
Transmission: 400, 800 nm
Optical chopper Newport Corporation 3501 optical chopper
Optical shutters Thorlabs Inc. SH05/M
SC10
Optical shutters SURUGA SEIKI CO.,LTD. F116-1
Beam splitters Thorlabs Inc. BSS11R
Fused-silica lenses Thorlabs Inc. LA4663
LA4184
BaF2 lens Thorlabs Inc. LA0606-E
Polarized mirrors Sigmakoki Co.,Ltd Custom-order
Designed for 800 nm
Reflection: s-polarized light
Transmission : p-polarized light
Half waveplate Thorlabs Inc. WPH05M-808
Mirror mounts Thorlabs Inc. POLARIS-K1
KM100
Kinematic mirror mounts
Mirror mounts Sigmakoki Co.,Ltd MHAN-30M
MHAN-30S
Gimbal mirror mounts
Mirror mounts Newport Corporation ACG-3K-NL Gimbal mirror mounts
Variable ND filters Thorlabs Inc. NDC-25C-2M
Beam splitter mounts Thorlabs Inc. KM100S
Lens mounts Thorlabs Inc. LMR1/M
Rotational mounts Thorlabs Inc. RSP1/M
Retroreflector Edmund Optics 63.5MM X 30" EN-AL 
spectrometers ocean photonics USB-4000
Power meter Ophir 30A-SH Used for intensity monitor of CPA
Power meter Thorlabs Inc. S120VC
PM100USB
Used for intensity measurements of pump pulse
Photodiodes Thorlabs Inc. DET36A/M
DET25K/M
DC power supply TEXIO PW18-1.8AQ Used for magnetic lens
Magnetic lens Nissei ETC Co.,Ltd Custom-order
Stages Newport Corporation M-MVN80V6
LTAHLPPV6
Used for magnetic lens
Stage controller Newport Corporation SMC100
Stages  Sigmakoki Co.,Ltd SGSP20-35(X)
SGSP20-85(X)
Used for sample position
Stages  Sigmakoki Co.,Ltd SGSP26-200(X)
OSMS26-300(X)
Used for delay time generator
Stage controller Sigmakoki Co.,Ltd SHOT-304GS
Picoammeter Laboratory built
spin coater MIKASA Co.,Ltd 1H-D7
hot plate IKA®  C-MAG HP7
SiN wafer Silson Ltd Custom-order
KOH aqueous solution (50%) Hiroshima Wako Co.,Ltd. 168-20455
Chloroform Hiroshima Wako Co.,Ltd. 038-18495
Dichloromethane Hiroshima Wako Co.,Ltd. 132-02456
Personal computers for the controlling programs Epson Corporate Endeavor MR7300E-L 32-bit operation system
Program for the control the equipment National Instruments Corporation Labview2016
Program for the data analysis The MathWorks, Inc. Matlab2015b

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Van Haaren, J., Broer, D. In search of the perfect image. Chem. Ind. 24, 1017-1021 (1998).
  2. Handbook of Liquid Crystals. Goodby, J. W., Collings, P. J., Kato, T., Tschierske, C., Gleeson, H. F., Raynes, P. , Wiley-VCH. Weinheim. (2014).
  3. Liquid Crystal Beyond Displays. Li, Q. , John Wiely & Sons. Hoboken. (2012).
  4. Kato, T. Self-assembly of phase-segregated liquid crystal structures. Science. 295, 2414-2418 (2002).
  5. Fleismann, E. K., Zentel, R. Liquid-Crystalline Ordering as a Concept in Materials Science: From Semiconductors to Stimuli-Responsive Devices. Angew. Chem. Int. Ed. 52, 8810-8827 (2013).
  6. Sergeyev, S., Pisula, W., Geerts, Y. H. Discotic liquid crystals: a new generation of organic semiconductors. Chem. Soc. Rev. 36, 1902-1929 (2007).
  7. Goodby, J. W. Mesogenic molecular crystalline materials. Curr. Opin. Solid State Mater. Sci. 4, 361-368 (1999).
  8. Ichimura, K. Photoalignment of Liquid-Crystal Systems. Chemical Reviews. 100, 1847-1873 (2000).
  9. Ikeda, T. Photomodulation of liquid crystal orientations for photonic applications. J. Mater. Chem. 13, 2037-2057 (2003).
  10. Browne, W. R., Feringa, B. L. Making molecular machines work. Nat. Nanotech. 1, 25-35 (2006).
  11. Ikeda, T., Mamiya, J., Yu, Y. Photomechanics of liquid-crystalline elastomers and other polymers. Angew. Chem., Int. Ed. 46, 506-528 (2007).
  12. Sagara, Y., Kato, T. Brightly Tricolored Mechanochromic Luminescence from a Single-Luminophore Liquid Crystal: Reversible Writing and Erasing of Images. Angew. Chem. Int. Ed. 50, 9128-9132 (2011).
  13. Miyajima, D., et al. Ferroelectric columnar liquid crystal featuring confined polar groups within core-shell architecture. Science. 336, 209-213 (2012).
  14. White, T. J., Broer, D. J. Programmable and adaptive mechanics with liquid crystal polymer networks and elastomers. Nat. Mater. 14, 1087-1098 (2015).
  15. Saito, S., et al. Light-melt adhesive based on dynamic carbon frameworks in a columnar liquid-crystal phase. Nat. Commun. 7, 12094 (2016).
  16. Lagerwall, J. P. F., Giesselmann, F. Current Topics in Smectic Liquid Crystal Research. Chem. Phys. Chem. 7, 20-45 (2006).
  17. Yoon, H. G., Agra-Kooijman, D. M., Ayub, K., Lemieux, R. P., Kumar, S. Direct Observation of Diffuse Cone Behavior in de Vries Smectic-A and -C Phases of Organosiloxane Mesogens. Phys. Rev. Lett. 106, 087801 (2011).
  18. Takanishi, Y., Ohtsuka, Y., Takahashi, Y., Kang, S., Iida, A. Chiral doping effect in the B2 phase of a bent-core liquid crystal: The observation of resonant X-ray satellite peaks assigned to the 5/10 layer periodic structure. Euro. Phys. Lett. 109, 56003 (2015).
  19. Hada, M., et al. Structural Monitoring of the Onset of Excited-State Aromaticity in a Liquid Crystal Phase. J. Am. Chem. Soc. 139, 15792-15800 (2017).
  20. Cavalleri, A., et al. Femtosecond Structural Dynamics in VO2 during an Ultrafast Solid-Solid Phase Transition. Phys. Rev. Lett. 87, 237401 (2001).
  21. Hada, M., Okimura, K., Matsuo, J. Characterization of structural dynamics of VO2 thin film on c-Al2O3 using in-air time-resolved x-ray diffraction. Phys. Rev. B. 82, 153401 (2010).
  22. Eichberger, M., et al. Snapshots of cooperative atomic motions in the optical suppression of charge density waves. Nature. 468, 799-802 (2010).
  23. Ichikawa, H., et al. Transient photoinduced 'hidden' phase in a manganite. Nat. Mater. 10, 101-105 (2011).
  24. Hada, M., Okimura, K., Matsuo, J. Photo-induced lattice softening of excited-state VO2. Appl. Phys. Lett. 99, 051903 (2011).
  25. Zamponi, F., Rothhardt, P., Stingl, J., Woerner, M., Elsaesser, T. Ultrafast large-amplitude relocation of electronic charge in ionic crystals. P. Natl. Acad. Sci. USA. 109, 5207-5212 (2012).
  26. Beaud, P., et al. A time-dependent order parameter for ultrafast photoinduced phase transitions. Nat. Mater. 13, 923-927 (2014).
  27. Morrison, V. R., et al. A photoinduced metal-like phase of monoclinic VO revealed by ultrafast electron diffraction. Science. 346, 445-448 (2014).
  28. Han, T. -R. T., et al. Exploration of metastability and hidden phases in correlated electron crystals visualized by femtosecond optical doping and electron crystallography. Sci. Adv. 5, 1400173 (2015).
  29. Waldecker, L., et al. Time-domain separation of optical properties from structural transitions in resonantly bonded materials. Nat. Mater. 14, 991-995 (2015).
  30. Minitti, M. P., et al. Imaging Molecular Motion: Femtosecond X-Ray Scattering of an Electrocyclic Chemical Reaction. Phys Rev. Lett. 114, 255501 (2015).
  31. Kim, K. H., et al. Direct observation of bond formation in solution with femtosecond X-ray scattering. Nature. 518, 385-389 (2015).
  32. Gao, M., et al. Mapping molecular motions leading to charge delocalization with ultrabright electrons. Nature. 496, 343-346 (2013).
  33. Ishikawa, T., et al. Direct observation of collective modes coupled to molecular orbital-driven charge transfer. Science. 350, 1501-1505 (2015).
  34. Xian, R., et al. Coherent ultrafast lattice-directed reaction dynamics of triiodide anion photodissociation. Nat. Chem. 9, 516-522 (2017).
  35. Chapman, H. N., et al. Femtosecond X-ray protein nanocrystallography. Nature. 470, 73-77 (2011).
  36. Ishikawa, T., et al. A compact X-ray free-electron laser emitting in the sub-ångström region. Nature Photonics. 6, 540-544 (2012).
  37. Zewail, A. H. Four-dimensional electron microscopy. Science. 328, 187-193 (2010).
  38. Sciaini, G., Miller, R. J. D. Femtosecond electron diffraction: heralding the era of atomically resolved dynamics. Rep. Prog. Phys. 74, 096101 (2011).
  39. Hada, M., Pichugin, K., Sciaini, G. Ultrafast structural dynamics with table top femtosecond hard X-ray and electron diffraction setups. Euro. Phys. J. Special Topic. 222, 1093-1123 (2013).
  40. Miller, R. J. D. Mapping atomic motions with ultrabright electrons: the chemists' gedanken experiment enters the lab frame. Annu. Rev. Phys. Chem. 65, 583-604 (2014).
  41. Seki, T., Murase, T., Matsuo, J. Cluster size dependence of sputtering yield by cluster ion beam irradiation. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 242, 179-181 (2006).
  42. Mueller, C., Harb, M., Dwyer, J. R., Miller, R. J. D. Nanofluidic Cells with Controlled Pathlength and Liquid Flow for Rapid, High-Resolution In Situ Imaging with Electrons. J. Phys. Chem. Lett. 4, 2339-2347 (2013).
  43. Mouri, K., Saito, S., Yamaguchi, S. Highly Flexible π-Expanded Cyclooctatetraenes: Cyclic Thiazole Tetramers with Head-to-Tail Connection. Angew. Chem. Int. Ed. 51, 5971-5975 (2012).
  44. Mouri, K., Saito, S., Hisaki, I., Yamaguchi, S. Thermal 8π electrocyclic reaction of heteroarene tetramers: new efficient access to π-extended cyclooctatetraenes. Chem. Sci. 4, 4465-4469 (2013).
  45. Rosenberg, M., Dahlstrand, C., Kilså, K., Ottosson, H. Excited State Aromaticity and Antiaromaticity: Opportunities for Photophysical and Photochemical Rationalizations. Chem. Rev. 114, 5379-5425 (2014).
  46. Kato, T., Mizoshita, N., Kishimoto, K. Functional Liquid-Crystalline Assemblies: Self-Organized Soft Materials. Angew. Chem. Int. Ed. 45, 38-68 (2006).
  47. Rosen, B. M., et al. Dendron-Mediated Self-Assembly, Disassembly, and Self-Organization of Complex Systems. Chem. Rev. 109, 6275-6540 (2009).
  48. Fukazawa, N., et al. Time-Resolved Infrared Vibrational Spectroscopy of the Photoinduced Phase Transition of Pd(dmit)2 Salts Having Different Orders of Phase Transition. J. Phys. Chem. C. 117, 13187 (2013).
  49. Mukuta, T., et al. Infrared Vibrational Spectroscopy of [Ru(bpy)2(bpm)]2+ and [Ru(bpy)3]2+ in the Excited Triplet State. Inorg. Chem. 53, 2481-2490 (2014).
  50. Tanaka, S., Takahashi, K., Hirahara, M., Yagi, M., Onda, K. Characterization of the excited states of distal-. and proximal-.[Ru(tpy)(pynp)OH2]2+ in aqueous solution using time-resolved infrared spectroscopy. J. Photochem. Photobio. A. 313, 87-98 (2015).
  51. Mukuta, T., Tanaka, S., Inagaki, A., Koshihara, S., Onda, K. Direct Observation of the Triplet Metal-Centered State in [Ru(bpy)3]2+ Using Time-Resolved Infrared Spectroscopy. ChemistrySelect. 1, 2802-2807 (2016).
  52. Epp, S. W., et al. Time zero determination for FEL pump-probe studies based on ultrafast melting of bismuth. Str. Dyn. 4, 054308 (2017).
  53. Hada, M., et al. Cold ablation driven by localized forces in alkali halides. Nat. Commun. 5, 3863 (2014).
  54. Hada, M., et al. Ultrafast time-resolved electron diffraction revealing the nonthermal dynamics of near-UV photoexcitation-induced amorphization in Ge2Sb2Te5. Sci. Rep. 5, 13530 (2015).
  55. Hada, M., et al. Evaluation of Damage Layer in an Organic Film with Irradiation of Energetic Ion Beams. Jpn. J. Appl. Phys. 49, 036503 (2010).
  56. Hada, M., et al. Bandgap modulation in photoexcited topological insulator Bi2Te3 via atomic displacements. J. Chem. Phys. 145, 024504 (2016).
  57. Manz, S., et al. Mapping atomic motions with ultrabright electrons: towards fundamental limits in space-time resolution. Faraday Discuss. 77, 467-491 (2015).

Tags

الكيمياء، 135 قضية، حيود الإلكترون حل الوقت، حل وقت الأشعة تحت الحمراء الطيفي الذبذبات، وديناميات الهيكلية، ليزر femtosecond، الظواهر فائق السرعة، والبلورات السائلة
تقنيات الرواية لمراقبة ديناميات الهيكلية من بلورات سائلة فوتوريسبونسيفي
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Hada, M., Saito, S., Sato, R.,More

Hada, M., Saito, S., Sato, R., Miyata, K., Hayashi, Y., Shigeta, Y., Onda, K. Novel Techniques for Observing Structural Dynamics of Photoresponsive Liquid Crystals. J. Vis. Exp. (135), e57612, doi:10.3791/57612 (2018).

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