عاليه التباين وسريع التحول الضوئي من الكريستال السائل تويست-بيند
Summary
هذا البروتوكول يدل علي اعداد المواد الضوئية التي يسلك مرحله صلبه ، ومختلف المراحل البلورية السائلة ، والمرحلة السائلة الانسيابية من خلال زيادة درجه الحرارة. المعروضة هنا هي طرق لقياس العلاقة بين هيكل ومرونة من المواد.
Abstract
المواد الذكية المرنة التي تستجيب لمحفزات محدده هي واحده من الفئات الأكثر جاذبيه من المواد الهامه للتكنولوجيات المستقبلية ، مثل التقنيات القابلة للتحويل عند الطلب ، والمحركات ، والقبضات الجزيئية ، والكتلة النانويه/المجهرية الناقلون. في الاونه الاخيره وجد انه من خلال الانتقال الصلبة السائلة الخاصة ، يمكن ان تظهر خصائص الريولوجيه تغييرات كبيره ، التالي توفير مواد لزج الذكية المناسبة. ومع ذلك ، تصميم المواد مع هذه الخاصية معقده ، وأوقات التحول إلى الامام والخلف عاده ما تكون طويلة. ولذلك ، من المهم استكشاف أليات عمل جديده لتحقيق التحولات الصلبة السائلة ، وتقصير وقت التبديل ، وتعزيز التباين بين خصائص الريولوجيه اثناء التبديل. هنا ، لوحظ انتقال المرحلة البلورية السائلة الناجمة عن الضوء ، والتي تتميز بواسطة المجهر الضوئي المستقطب (بوم) ، وقياس الضوء ، والمسح الضوئي للصور التفاضلية (الصورة DSC) ، والاشعه السينية الانكسار (XRD). المرحلة التي يسببها الضوء البلورية السائلة الانتقال يعرض الميزات الرئيسية مثل (1) التحول السريع للمراحل البلورية السائلة لكل من ردود الفعل الاماميه والخلفية و (2) نسبه التباين عاليه من مرونة اللزوجة. في التوصيف ، بوم هو مفيد في تقديم معلومات عن التوزيع المكاني للاتجاات جزيء LC ، وتحديد نوع المراحل البلورية السائلة التي تظهر في المواد ، ودراسة اتجاه الاعتمادات المستندية. قياس الضوء الضوئي يسمح قياس خصائص الريولوجيكال المواد تحت المحفزات الخفيفة ويمكن ان تكشف عن خصائص التحول الضوئي للمواد. الصورة DSC هي تقنيه للتحقيق في المعلومات دينامي حراري من المواد في الظلام وتحت الإشعاع الخفيف. وأخيرا ، يسمح XRD بدراسة الهياكل المجهرية للمواد. الهدف من هذه المادة هو تقديم بوضوح كيفيه اعداد وقياس الخصائص التي تمت مناقشتها من المواد الضوئية.
Introduction
وقد ولدت المواد الميكانيكية الذكية مع القدرة علي تغيير خصائصها المطاطية استجابه للتغير البيئي اهتماما هائلا بين الباحثين. تعتبر القابلية للتحول أهم عامل مادي ، والذي يوفر متانة الاستجابة الميكانيكية المتكررة في الكائنات الحية. حتى الآن ، تم تصميم المواد الاصطناعية للتحويل مع وظائف متعددة من خلال الاستفادة من ماده لينه (اي ، الهيدروجيل المستجيبة للضوء1،2،3، البوليمرات4،5، 6،7،8،9،10،11، البلورات السائلة [الاعتمادات المستندية]9،10،11، 12،13،14،15،16،17، مذيلات المستجيبة لدرجه الحموضة18،19،20 ،21،22، والسطحي23). ومع ذلك ، فان هذه المواد تعاني من أكثر من واحده من المشاكل التالية: عدم القابلية للانعكاس ، وانخفاض نسبه التباين التبديل من مرونة اللزوجة ، والتكيف منخفضه ، وسرعه التحول بطيئه. في المواد التقليدية ، يوجد مقايضه بين نسبه تباين التبديل بين مرونة اللزوجة وسرعه التبديل ؛ التالي ، فان تصميم المواد التي تغطي جميع هذه المعايير مع الأداء العالي أمر صعب. لتحقيق المواد مع omnicapability المذكورة أعلاه ، واختيار أو تصميم الجزيئات التي تحمل الطبائع الناشئة من كل من سيوله عاليه (الملكية اللزجة) وصلابة (الملكية المرنة) أمر ضروري.
البلورات السائلة هي أنظمه مثاليه مع عدد كبير محتمل من المراحل البلورية والصلبة السائلة التي يمكن ضبطها من قبل التصميم الجزيئي. وهذا يسمح للهياكل ذاتية التجميع في جداول طول مختلفه في مراحل LC خاصه. علي سبيل المثال ، في حين ان التناظر العالي التماثل (NLCs) يحمل اللزوجة المنخفضة والمرونة بسبب النظام المكاني قصيرة المدى ، وانخفاض التناظر عمودي أو smectic الاعتمادات تظهر اللزوجة العالية ومرونة بسبب واحد-وثنائي الابعاد طويلة المدى دوريه. ومن المتوقع انه إذا كان يمكن تبديل المواد LC بين مرحلتين مع الاختلافات الكبيرة في خصائصها المرنة ، ثم يمكن تحقيق المواد الذكية لزجه مع الأداء العالي. وقد ابلغ عن أمثله قليله9و10و11و12و13و14و15.
توضح هذه المقالة اعداد المواد LC الضوئية مع تسلسل المرحلة من الخواص (I)-الحركية (N)-تويست-بيند الحركية (TB)24-الكريستال (صرخة) علي التبريد (والعكس صحيح علي التدفئة) ، الذي يسلك سريعة وقابله للعكس التبديل المرنة في الاستجابة للضوء. المعروضة هنا هي طرق لقياس المرونة والصورة التوضيحية للهيكل المجهري-العلاقة مرونة الرؤية. ويرد وصف للتفاصيل في النتائج التمثيلية وفي أقسام المناقشة.
Protocol
Representative Results
Discussion
كما هو معلن في الشكل 1، CB6OABOBu هو المواد التي تستجيب للصور مع الأول ، N ، السل ، والبكاء المرحلة متواليات علي التبريد. وبما ان الترتيب المحلي لهذه المراحل يختلف اختلافا كبيرا ، فمن المتوقع ان يظهر التحول القائم علي الصور لخصائص الريولوجيكال تباينا جيدا في المرونة. ولاجراء تحق…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد دعم هذا العمل مشروع البحوث الثنائية المشترك بين البرنامج والموئل. ويعترف بالدعم المالي من المنح NKFIH PD 121019 و 125134 FK.
Materials
| 21-401-10 | AS ONE | Microspatula | |
| AL1254 | JSR | Planar alignment agent for liquid crystals | |
| BX53P | Olympus | Polarising microscope with transmission/epi-illumination units | |
| Discovery DSC 25P | TI instruments | Photo-DSC equipment | |
| Glass cutter PRO-1A | Sankyo | A diamond-based glass cutter | |
| HS82 | Mettler Toledo | hot stage | |
| MCR502 | Anton Paar | A commercial rheometer | |
| MRJ-100S | EHC | Rubbing machine | |
| Norland Optical Adhesive 65, 81 | Norland Products | Photoreactive adhesions | |
| OmniCure S2000 | Excelitas Technologies | A commericial high-pressure mercury vapor short arc lamp. Maximum 70 mW/cm^2. | |
| PILATUS 6M | Dectris | Hybrid photon counting detector for X-ray diffraction dectection | |
| S1126 | Matsunami Glass | Glass substrate | |
| SC-158H | EHC | Spin coater | |
| SCAT-20X | DKS | Alkaline detergent | |
| SLUV-4 | AS ONE | Low-pressure mercury vapor short arc lamp | |
| UV-208 | Technovision | Ultraviolet-ozone (UV-O3) cleaner |
References
- Grindy, S. C., Holten-Andersen, N. Bio-inspired metal-coordinate hydrogels with programmable viscoelastic material functions controlled by longwave UV light. Soft Matter. 13, 4057-4065 (2017).
- Rosales, A. M., Mabry, K. M., Nehls, E. M., Anseth, K. S. Photoresponsive elastic properties of azobenzene-containing poly(ethylene-glycol)-based hydrogels. Biomacromolecules. 16, 798-806 (2015).
- Chang, D., Yan, W., Yang, Y., Wang, Q., Zou, L. Reversible light-controllable intelligent gel based on simple spiropyran-doped with biocompatible lecithin. Dyes and Pigments. 134, 186-189 (2015).
- Irie, M., Hirano, Y., Hashimoto, S., Hayashi, K. Photoresponsive Polymers. 2. Reversible Solution Viscosity Change of Polymamides Having Azobenzene Residues in the Main Chain. Macromolecules. 14, 262-267 (1981).
- Ito, S., Akiyama, H., Sekizawa, R., Mori, M., Yoshida, M., Kihara, H. Light-Induced Reworkable Adhesives Based on ABA-type Triblock Copolymers with Azopolymer Termini. ACS Applied Materials and Interfaces. 10, 32649-32658 (2018).
- Yamamoto, T., Norikane, Y., Akiyama, H. Photochemical liquefaction and softening in molecular materials, polymers, and related compounds. Polymer Journal. 50, 551-562 (2018).
- Petr, M., Helgeson, M. E., Soulages, J., McKinley, G. H., Hammond, P. T. Rapid Viscoelastic Switching of an Ambient Temperature Range Photoresponsive Azobenzene Side-chain Liquid Crystal Polymer. Polymer. 54, 2850-2856 (2013).
- Han, G. G. D., Li, H., Grossman, J. C. Optically controlled long-term storage and release of thermal energy in phase-change materials. Nature Communications. 8, 1-10 (2017).
- Akiyama, H., Yoshida, M. Photochemically Reversible Liquefaction and Solidification of Single Compounds Based on a Sugar Alcohol Scaffold with Multi Azo-Arms. Advanced Materials. 24, 2353-2356 (2012).
- Akiyama, H., et al. Photochemically reversible liquefaction and solidification of multiazobenzene sugar-alcohol derivatives and application to reworkable adhesives. ACS Applied Materials and Interfaces. 6, 7933-7941 (2014).
- Akiyama, H., Fukata, T., Yamashita, A., Yoshida, M., Kihara, H. Reworkable adhesives composed of photoresponsive azobenzene polymer for glass substrates. Journal of Adhesion. 93, 823-830 (2017).
- Norikane, Y., et al. Photoinduced Crystal-to-Liquid Phase Transitions of Azobenzene Derivatives and Their Application in Photolithography Processes through a Solid-Liquid Patterning. Organic Letters. 16, 5012-5015 (2014).
- Kim, D. Y., Lee, S. A., Kim, H., Kim, S. M., Kim, N., Jeong, K. U. An azobenzene-based photochromic liquid crystalline amphiphile for a remote-controllable light shutter. Chemical Communications. 51, 11080 (2015).
- Saito, S., et al. Light-melt adhesive based on dynamic carbon frameworks in a columnar liquid-crystal phase. Nature Communications. 7, 1-7 (2016).
- Peng, S., Guo, Q., Hughes, T. C., Hartley, P. G. Reversible Photorheological Lyotropic Liquid Crystals. Langmuir. 30, 866-872 (2014).
- Ito, S., Yamashita, A., Akiyama, H., Kihara, H., Yoshida, M. Azobenzene-Based (Meth)acrylates: Controlled Radical Polymerization, Photoresponsive Solid–Liquid Phase Transition Behavior, and Application to Reworkable Adhesives. Macromolecules. 51, 3243-3253 (2018).
- Yue, Y., Norikane, Y., Azumi, R., Koyama, E. Light-induced mechanical response in crosslinked liquid-crystalline polymers with photoswitchable glass transition temperatures. Nature Communications. 9, 1-8 (2018).
- Lee, H. Y., Diehn, K. K., Sun, K., Chen, T., Raghavan, S. R. Reversible Photorheological Fluids Based on Spiropyran-Doped Reverse Micelles. Journal of the American Chemical Society. 133, 8461-8463 (2011).
- Su, X., Cunningham, M. F., Jessop, P. G. Switchable viscosity triggered by CO2 using smart worm-like micelles. Chemical Communications. 49, 2655-2657 (2013).
- Cho, M. Y., Kim, J. S., Choi, H. J., Choi, S. B., Kim, G. W. Ultraviolet light-responsive photorheological fluids: as a new class of smart fluids. Smart Materials and Structures. 26, 1-8 (2017).
- Oh, H., et al. A simple route to fluids with photo-switchable viscosities based on a reversible transition between vesicles and wormlike micelles. Soft Matter. 9, 5025-5033 (2013).
- Akamatsu, M., et al. Photoinduced viscosity control of lecithin-based reverse wormlike micellar systems using azobenzene derivatives. RSC Advances. 8, 23742-23747 (2018).
- Song, B., Hu, Y., Zhao, J. A single-component photo-responsive fluid based on a gemini surfactant with an azobenzene spacer. Journal of Colloid and Interface Science. 333, 820-822 (2009).
- Borshch, V., et al. Nematic twist-bend phase with nanoscale modulation of molecular orientation. Nature Communications. 4, 2635-2643 (2013).
- Panov, V. P., et al. Spontaneous Periodic Deformations in Nonchiral Planar-Aligned Bimesogens with a Nematic-Nematic Transition and a Negative Elastic Constant. Physical Review Letters. 105, 1-4 (2010).
- Aya, S., et al. Fast-and-Giant Photorheological Effect in a Liquid Crystal Dimer. Advanced Materials Interfaces. 6, 1-7 (2019).
- Ishiba, K., et al. Photoliquefiable ionic crystals: A phase crossover approach for photon energy storage materials with functional multiplicity. Angewandte Chemie International Edition. 54, 1532-1536 (2015).
- Zhou, H., et al. Photoswitching of glass transition temperatures of azobenzene-containing polymers induces reversible solid-to-liquid transitions. Nature Chemistry. 9, 145-151 (2017).
