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Chemistry

Photoresponsive 액정의 구조 역학을 관찰을 위한 새로운 기술

Published: May 29, 2018
doi:
10.3791/57612
, , , , , ,
1Graduate School of Natural Science and Technology,Okayama University, 2Graduate School of Science,Kyoto University, 3Center for Computational Sciences,University of Tsukuba, 4Graduate School of Science,Kyushu University

Summary

여기, 우리는 photoexcited 분자는 열에서 주위 지역 구조의 변형의 관측 시간 해결 적외선 진동 분광학 및 전자 회절의 차동 감지 분석 프로토콜 제시 액체 크리스탈, 구조와이 광 물질의 역학 관계에 원자 관점 주는.

Abstract

우리 토론이 문서에는 분자의 실험 측정 시간 해결 적외선 (IR) 진동 분광학 및 시간 해결 전자 회절을 사용 하 여 액정 (LC) 단계에서. 액정 단계는 고체와 액체 단계 사이 존재 하는 물질의 중요 한 상태 고 유기 전자에서 뿐만 아니라 자연 시스템에 일반적입니다. 액정 orientationally 주문 하지만 느슨하게 포장 하는, 그리고 그러므로, 내부 conformations 및 LCs의 분자 구성 요소 정렬 외부 자극에 의해 수정할 수 있습니다. 비록 시간 해결 고급 회절 기법은 피코 초 규모 단일 결정의 분자 역학 그리고 polycrystals, 패킹 구조의 직접 관찰과 부드러운 소재의 초고속 역학 모호한에 의해 방해 되어 회절 패턴입니다. 여기, 우리 보고 시간 해결 IR 진동 분광학 및 광 코어 moiety 베어링 컬럼 LC 자료의 초고속 스냅을 얻으려고 전자 diffractometry. 차동 감지 분석의 조합의 시간 해결 IR 진동 분광학 및 전자 회절 구조와 부드러운 소재의 photoinduced 역학 특성화를 위한 강력한 도구입니다.

Introduction

액정 (LCs) 다양 한 기능 있고, 과학 및 기술 응용 프로그램1,2,,34,,56에서 널리 이용 된다. LCs의 행동은 그들의 근처 주문에 그들의 분자의 높은 기동성으로 지정할 수 있습니다. 액정 재료의 분자 구조는 일반적으로 특징 mesogen 코어 LC 분자의 높은 이동성을 보장 하는 유연한 긴 탄소 사슬. 외부 자극7,,89,10,11,12,13,14,15에서 , 빛, 전기 분야, 온도 변화, 또는 기계적 압력, 작은 내부 및 LC 분자 원인 과감 한 구조상 기능 동작으로 이어지는 시스템에서 순서 변경의 intermolecular 움직임 등. 액정 재료의 기능을 이해 하려면 그것은 LC 단계에서 분자 규모 구조를 결정 하 고 분자 conformations 및 포장 변형 키 동작을 식별 하는 것이 중요.

X 선 회절 (XRD)는 일반적으로 LC 자료16,,1718의 구조를 결정 하기 위한 강력한 도구로 사용 됩니다. 그러나, 기능 자극-반응 코어에서 발생 하는 회절 패턴 긴 탄소 사슬에서 광범위 한 헤일로 패턴에 의해 감춰 종종입니다. 이 문제에 효과적인 해결책 photoexcitation를 사용 하 여 분자 동역학의 직접 관측 가능 시간이 해결 회절 분석에 의해 제공 됩니다. 이 기술은 photoresponsive 아로마 moiety photoexcitation 전후 얻은 회절 패턴 사이의 차이 사용 하 여에 대 한 구조적 정보를 추출 합니다. 이러한 차이 배경 잡음을 제거 하 고 직접 관심의 구조 변화를 관찰 하는 의미를 제공 합니다. 차동 회절 패턴의 분석에서 혼자, 그로 인하여 비 photoresponsive 탄소 사슬에서 해로운 회절을 제외한 광 moiety 변조 신호를 공개. 차동 회절 분석의이 방법의 설명 Hada, M. 외19에 제공 됩니다.

시간 해결 회절 측정 자료20,,2122,23, 에 위상 전환 하는 동안 발생 하는 원자 재배열에 대 한 구조 정보를 제공할 수 있습니다. 24 , 25 , 26 , 27 , 28 , 분자30,,3132,,3334중 29 및 화학 반응. 마음에 이러한 응용 프로그램, 놀라운 진행이 했다 ultrabright 그리고 ultrashort 펄스 x-35,36 및 전자37,38,39 의 개발에 , 40 소스입니다. 그러나, 시간 해결 회절만 적용 된 간단 하 고, 고립 된 분자 또는를 단일 또는 폴 리-결정에 높은 무기 격자를 지시 또는 유기 분자 구조를 제공 하는 잘 해결된 회절 패턴 정보입니다. 대조적으로, 더 복잡 한 소프트 재료의 초고속 구조 분석 그들의 보다 적게 주문한 단계 때문에 방해 되어 있다. 이 연구에서 우리 시간 해결 전자 회절 과도 흡수 분광학 및이 사용 하 여 광 액정 재료의 구조 역학 특성 시간 해결 적외선 (IR) 진동 분광학의 사용을 보여 줍니다. 회절 추출 방법론19.

Protocol

1.Time 해결 적외선 진동 분광학 샘플 준비 해결 방법: 적절 한 농도 (1 mmol/L)와 dichloromethane에 π 확장 cyclooctatetraene (π-침대) 분자를 분해. LC 단계: 100 ° c.의 온도에 핫 플레이트를 사용 하 여 칼슘 불 화물 (CaF2) 기판에 π-침대 분말을 녹여 차가운 실내 온도에 샘플.참고: 우리는 중반-적외선 범위에서 투명 재료 (CaF2 또는 바 륨 불 소 (BaF2…

Representative Results

때문에 잘 정의 된 컬럼 스택 구조 형성 및 중앙 8 조화로 침대 링 보여줄 것으로 예상 하기 때문에 액정 분자의 광 코어 단위로 π-유아용 안장 모양의 뼈대43,44 를 선택 우리는 photoinduced 구조적 때문에 흥분 상태 방향성19,45평면 형식으로 변경 합니다. 이 물질의 합성 과정은 이전 게시…

Discussion

시간이 해결 전자 회절 측정 시 프로세스의 중요 한 단계는 높은 전압을 유지 하 고 있다 (75 keV) 광 음극과 양극 사이의 거리 이후 현재 변동 없이 격판덮개만 ~ 10 m m 이다. 전이나 실험 중 현재 0.1 µ A의 범위 이상 변동 하는 경우 증가 90 최대 가속 전압 방전 하 고 75로 다시 설정 하는 케빈 케빈. 이 컨디셔닝 과정까지 전류를 0.1 µ A 범위에서 변동 할 수 있다. 충분 한 절연 강도를 전자 소스 적절 한…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

우리는 도쿄 공대에서 IR 진동 분광학 측정 시간 해결 박사 S. 다나카 교수 M. 하 라 및 XRD 측정 나고야 대학에서 박사 K. 마쓰오 감사합니다. 우리는 또한 나고야 대학, Kiel 대학 교수 R. Herges와 구조에 대 한 최대 플랑크 연구소와 귀중 한 토론에 대 한 물질의 역학에서 교수 R. J. D. 밀러 교수 S. 야마구치 감사 합니다.

이 작품은 지원 일본 과학 기술 (JST)에 의해 프레스 토, “분자 기술 및 새로운 기능의 창조” 프로젝트 자금에 대 한 (JPMJPR13KD, JPMJPR12K5, 및 JPMJPR16P6의 번호 부여)와 “빛 에너지의 화학 변환”. 이 작품은 또한 부분적으로 JSP 보조금 번호 JP15H02103, JP17K17893, JP15H05482, JP17H05258, JP26107004, 및 JP17H06375에 의해 지원 됩니다.

Materials

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
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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).
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