Summary
Denne protokol viser fremstillingen af et fotorheologisk materiale, der udviser en solid fase, forskellige flydende krystallinske faser, og en isotropisk væskefase ved at øge temperaturen. Præsenteret her er metoder til måling af strukturen-viskoelastisk forhold af materialet.
Abstract
Smarte viskoelastiske materialer, der reagerer på specifikke stimuli, er en af de mest attraktive klasser af materialer, som er vigtige for fremtidige teknologier, såsom on-demand omskiftelig adhæsions teknologier, aktuatorer, molekylære koblinger og nano/mikroskopisk masse Transportvirksomheder. For nylig blev det konstateret, at gennem en særlig solid-væske overgang, rheologiske egenskaber kan udvise betydelige ændringer, således at give passende smarte viskoelastisk materialer. Men at designe materialer med en sådan egenskab er komplekse, og frem-og baglæns skifttider er normalt lange. Derfor er det vigtigt at udforske nye arbejdsmekanismer til at realisere faste-flydende overgange, forkorte koblings tiden, og forbedre kontrasten af rheologiske egenskaber under Skift. Her observeres en lys-induceret krystal-væskefase overgang, som er karakteriseret ved hjælp af polariserende lys mikroskopi (POM), photorheometry, foto-differentiel scanning hele kroppen vha (foto-DSC), og X-ray diffraktion (xrd). Den lysinducerede krystal-flydende fase overgang præsenterer vigtige funktioner såsom (1) hurtig skift af krystal-flydende faser for både frem og tilbage reaktioner og (2) et højt kontrastforhold af viskoelastisk. I karakterisering, POM er fordelagtigt i at tilbyde oplysninger om den rumlige fordeling af LC molekyle retninger, bestemmelse af typen af flydende krystallinske faser, der optræder i materialet, og studere retningen af LCs. Photorheometry tillader måling af et materiales rheologiske egenskaber under lette stimuli og kan afsløre de fotorheologiske koblings egenskaber af materialer. Photo-DSC er en teknik til at undersøge termodynamiske oplysninger om materialer i mørke og under let bestråling. Endelig giver XRD mulighed for at studere mikroskopiske strukturer af materialer. Formålet med denne artikel er klart at præsentere, hvordan man forbereder og måler de diskuterede egenskaber af et photorheologisk materiale.
Introduction
Intelligente mekaniske materialer med evnen til at ændre deres viskoelastiske egenskaber som reaktion på miljømæssige variationer har skabt enorm interesse blandt forskere. Omstillingsevne anses for at være den vigtigste materielle faktor, som giver robusthed af gentagen mekanisk respons i levende organismer. Til dato er kunstige omkoblings materialer med alsidige funktioner blevet designet ved at anvende blødt materiale (dvs. photoresponsive silicagelrogeler1,2,3, polymerer4,5, 6,7,8,9,10,11, flydende krystaller [LCS]9,10,11, 12,13,14,15,16,17, ph-lydhør miceller18,19,20 ,21,22og overfladeaktive stoffer23). Men disse materialer lider af mere end et af følgende problemer: manglende reversibilitet, lavt koblings kontrastforhold af viskoelasticitet, lav adaptivitet og langsom koblings hastighed. I konventionelle materialer er der en afvejning mellem koblings kontrastforholdet mellem viskoelastisk og koblings hastighed; Derfor er det udfordrende at designe materialer, der dækker alle disse kriterier med høj ydeevne. At realisere materialer med ovennævnte omnikapacitet, udvælgelse eller designe molekyler, der bærer emergent natur af både høj fluiditet (viskøs ejendom) og stivhed (elastisk egenskab) er afgørende.
Flydende krystaller er ideelle systemer med et potentielt stort antal flydende krystallinske og faste faser, der kan justeres ved Molekylær design. Dette giver mulighed for selv monterede strukturer på forskellige længde skalaer i særlige LC faser. For eksempel, mens høj-symmetri nematiske LCS (nlcs) udviser lav viskositet og elasticitet på grund af deres kort rækkevidde rumlige orden, lav-symmetri søjleformede eller smectic LCS viser høj viskositet og elasticitet på grund af en-og to-dimensionelle langtrækkende periodiciteter. Det forventes, at hvis LC materialer kan skiftes mellem to faser med store forskelle i deres viskoelastiske egenskaber, så et viskoelastisk Smart materiale med høj ydeevne kan opnås. Et par eksempler er blevet rapporteret9,10,11,12,13,14,15.
Denne artikel viser forberedelsen af et photorheologisk LC-materiale med en Fasesekvens af isotropisk (I)-nematisk (N)-twist-Bend nematisk (TB)24-krystal (råb) ved afkøling (og omvendt ved opvarmning), som udviser hurtig og reversibel viskoelastisk omskiftning som reaktion på lys. Præsenteret her er metoderne til måling af viskoelasticitet og en illustration af den mikroskopiske struktur-viskoelastisk forhold. Detaljer er beskrevet i de repræsentative resultater og diskussions afsnit.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. forberedelse af gnides overflader til justering LC molekyler planarly
- Forbered rene glas substrater.
- Skær glas substrater ved hjælp af en diamant-baseret glas cutter (tabel over materialer) i små firkantede stykker med gennemsnit størrelser på 1 cm x 1 cm. vask dem ved sonikering på 38 khz eller 42 kHz i et alkalisk rengøringsmiddel (tabel over materialer, fortyndet i vand rengøringsmiddel: vandvolumen forhold på 1:3) og skyl med destilleret vand gentagne gange (typisk mere end 10 x med 5 min sonikering for hver skylning).
- Underkaste substrater til ultraviolet-ozon (UV-O3) renere (tabel over materialer) for mere end 10 min.
- Coat planar justeringslag på rene glas substrater.
- Dryp 20 μl af 1 ml af en polyimid planar justerings opløsning (tabel over materialer, der anvendes som den er) med en pipette på de rensede glas substrater. Spin-coat opløsningen straks ved hjælp af et spin Coater (tabel over materialer) ved 3.000 rpm og RUMTEMPERATUR (RT) for 70 s.
Bemærk: den typiske tykkelse af justeringslag er omkring 20 Nm. - Bage de coatede glas substrater ved 80 °C i 60 min for at fjerne opløsningsmidlet og ved 180 °C i > 60 min til hærdning. Gnid substrater ved hjælp af en rayon-klud gnidning maskine (tabel over materialer) med følgende parametre: rotationshastighed = 300 RPM, plade hastighed = 20 mm/s, og indtryk = 0,3 mm at realisere uniaksial justering af LC materialer.
- Dryp 20 μl af 1 ml af en polyimid planar justerings opløsning (tabel over materialer, der anvendes som den er) med en pipette på de rensede glas substrater. Spin-coat opløsningen straks ved hjælp af et spin Coater (tabel over materialer) ved 3.000 rpm og RUMTEMPERATUR (RT) for 70 s.
2. fremstilling af LC-celler
- Placer et glas substrat belagt med justeringslaget på et andet substrat, med justeringslag ansigt til ansigt, og sørg for, at de er 80% overlappet for at danne en celle.
Bemærk: de 20% ikke-overlappede overflader skal bruges til at introducere LC-materialer i cellen. - Placer 100 μL af et foto aktivt klæbemiddel (tabel over materialer) og 0,1 mg mikrometer størrelse glaspartikler (diameter = 5 μm) på et rent glas substrat, og bland dem manuelt ved hjælp af spidsen af en papirclips. Flyt det blandede materiale til fire hjørner af cellen for at justere celle hullet og belyse cellen ved hjælp af en lavtryks kviksølv damp kort bue lampe (tabel over materialer) med en bølgelængde på 365 nm (1,1 W/cm2). Placer cellen under LED-lampen i en afstand af 1 cm i 5 min.
- Efter belysning skal du placere cellen på et varmt stadie og indstille måltemperaturen på scenen for at opvarme cellen til en temperatur over den isotropiske væske (I)-nematiske (N) faseovergang (typisk ved 160 °C). Overføre LC materiale (1-[4-butoxyazobenzene-4'-yloxy]-6-[4-cyanobiphenyl-4 ' yl] hexan; CB6OABOBu; 0,2 − 10,0 μL) på en åben overflade af cellen og skubbe materialerne mod cellens indgang ved hjælp af en mikrospatel for at opnå kontakt mellem LC-materialet og indgangen til cellen. Vent til LC materialer, der skal fyldes i cellen ved kapillar kraft.
Bemærk: CB6OABOBu har en Fasesekvens: Cry 100,3 °C TB 105,2 °C N 151,7 °C I på opvarmning og jeg 151,4 °C N 104,5 °C TB 83 °C græde på køling. Du må ikke introducere CB6OABOBu i N-fasen eller TB-fasen, fordi flow-induceret justering fremmes.
3. tekstur karakterisering ved polariserende Optisk mikroskopi
- Overhold LC-cellerne placeret på den varme scene for at styre prøvetemperaturen (40 − 180 °C) med ± 0,1 K nøjagtighed under et polariserende lysmikroskop (POM, tabel over materialer) ved hjælp af 4X − 100x objektiv linser. Optag teksturer ved hjælp af et digitalt farvekamera sekventielt under køling og opvarmning.
- Brug en UV EPI-illuminator (tabel over materialer) udstyret på POM med en bølgelængde på 365 nm (50 MW/cm2).
4. fotorheologiske målinger
- Forberedelse af rheologiske målinger.
- Før du placerer en prøve på stadiet af rheometer (tabel over materialer), udføre geometri inerti kalibrering og Zero Gap kalibrering styres af en software i henhold til fabrikantens anvisninger for at sikre nøjagtighed af den rheologiske undersøgelse . Der afvejes 250 mg af CB6OABOBu pulver prøven, og den læsses på bundpladen af rheometer.
Bemærk: til denne undersøgelse anvendes en plade med en diameter på 50 mm. - Indstil prøve kammerets temperatur til en værdi over I-N-fase overgangspunktet (> 160 °C). Indstil en mellemrums værdi for at nærme målepladen til basis kvarts pladen for at sandwich prøven (typisk anvendt mellemrums værdi = 20 μm). Trim overskydende prøve (f. eks. ved hjælp af papirservietter), der er uden for hullet, når målepladen stopper ved beskærings positionen, som er 25 μm over den målrettede kløft.
Bemærk: Lad ikke overskydende mængde CB6OABOBu blive introduceret i prøvekammeret, da målingerne er unøjagtige.
- Før du placerer en prøve på stadiet af rheometer (tabel over materialer), udføre geometri inerti kalibrering og Zero Gap kalibrering styres af en software i henhold til fabrikantens anvisninger for at sikre nøjagtighed af den rheologiske undersøgelse . Der afvejes 250 mg af CB6OABOBu pulver prøven, og den læsses på bundpladen af rheometer.
- Udføre rheologiske målinger.
- Irradiat UV-lys ved 365 nm (1 − 100 mW/cm2), måling af photorheologiske skift af CB6OABOBu ved hjælp af højtryks kviksølv damp Short Arc-lampe.
Bemærk: lyset vil blive guidet fra under prøvebeholderen gennem basis kvarts pladen. - Udfør målinger i 1) oscillerende mode til udvinding dynamisk gendannelse oplysninger af materialet og 2) stabil rotationstilstand for at opnå effektiv rotations viskositet. Ved målinger i rotations modus anvendes en konstant forskydningsbelastning på 13 PA til prøven for at sikre, at målingen foretages i det newtonske regime.
Bemærk: valget af tilstande udføres af en software i henhold til producentens anvisninger.
- Irradiat UV-lys ved 365 nm (1 − 100 mW/cm2), måling af photorheologiske skift af CB6OABOBu ved hjælp af højtryks kviksølv damp Short Arc-lampe.
5. foto-differentiel scanning hele kroppen vha
- Vejer 10 mg CB6OABOBu pulver prøve og indlæse det i en guld differentiel scanning hele kroppen vha (DSC) pan. Prøven opvarmes til 170 °C i isotropisk fase, og det sikres, at der ikke er nogen inhomogen prøve fordeling i DSC-gryden som observeret af det blotte øje. Dæk DSC-gryden med en kvartsplade.
- Udfør foto-DSC-målinger i henhold til producentens anvisninger (tabel over materialer). Mål DSC-data ved en scanning på 10 °C/min.
Bemærk: foto-DSC-maskinen er udstyret med en UV-lysintensitet på 50 mW/cm2.
6. karakterisering af X-ray diffraktion
- Pulver CB6OABOBu opvarmes ved hjælp af den varme fase ved 170 °C, og prøven opsuges i et XRD kapillar (diameter = 0,5 mm) ved kapillær kraft.
- Fastgør kapillar til en prøveholder, der er udstyret med en temperaturregulator. Indstil kammertemperaturen (60 °C, 70 °C, 80 °C, 90 °C, 100 °C, 110 °c, 120 °c, 130 °c, 140 °c, 150 °C, 160 °C og 170 °C for hver røntgen diffraktions måling).
- Prøven bestråes af røntgenstråler og detekterer diffracted røntgenstrålerne af en detektor uden UV-bestråling og under en UV-lysintensitet på 10 mW/cm2 i 1 min og 10 min.
Bemærk: den aktuelle undersøgelse blev udført i Riken strålinger BL45XU. Lyskilden var den fjeder-8 standard in-vakuum undulator. En flydende nitrogen kølet si dobbelt krystal monochromator blev brugt til monochromatize strålen. Bølgelængden var 1 Å.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
POM-billeder, photorheometriske data, foto-DSC-data og XRD-intensitets profiler blev indsamlet i mørke under temperatur variationen, og mens de skinner UV-lys. Figur 1a, b repræsenterer strukturen af CB6OABOBu med dens Fasesekvens og mulige KONSTELLATIONER optimeret af mm2 ForceField i modellerings programmet (f. eks. ChemBio3D).
Når CB6OABOBu er i Trans-State, to energi-plausible konformationsmæssige tilstande vises, og den snoede kropsbygning er den mest stabile, der fremmer dannelsen af TB fase. Når CB6OABOBu er spændt på SNG-staten, når de udsættes for UV-lys, en Kink-konstellation er realiseret. Selvom den nuværende konformationsmæssige optimering foretaget af modellerings programmet er nyttigt til bestemmelse af kropsbygning af et enkelt molekyle, kan det ikke bruges til simulering af konformationsmæssige tilstand af flere molekyler, der interagerer, eller endda til selv samlinger af større molekylære klynger.
Figur 1c, d viser POM teksturer i mørke og under 30 MW cm− 2 UV-bestråling, under afkøling af prøven i en 2 μm-tyk LC celle med ensartet gnides planar justering. I N-fasen realiseres uniaksial justering af molekyler (figur 1c, top). Når du sænker temperaturen til TB i mørket, et stribet mønster former, hvor striberne løber parallelt med gnidning retningen af LC-cellen (figur 1c, midten). Denne stribe mønster opstår som følge af Buckling ustabilitet og er anerkendt som et symbol på TB fase, først rapporteret af Panov et al.25. Yderligere faldende temperatur fører til krystallisering (figur 1c, bund). Bestråling af UV-lys ændrer kropsbygning fra Trans-til CIS-staten, hvilket resulterer i fase variation og dermed tekstur variation. Hvis du starter fra TB-fasen, forvandler UV-lyset den stribede tekstur til den uniaksialt justerede tilstand i N-fasen (figur 1d, top-Middle). Hvis du slukker for UV-lyset, kan molekylerne slappe af og genindtaste Trans-tilstanden og den stribede tekstur i TB-fase formularerne igen.
Figur 2 viser den effektive viskositet af CB6OABOBu under forskellige forhold målt ved rheometer. Figur 2a viser temperatur afhængigheden af den effektive forskydnings viskositet. Årsagen til at kalde den målte viskositet den effektive forskydnings viskositet er, at de virkelige bestanddele af viskositeten i flydende krystaller er orienterings afhængige, og den målte viskositet er en orienterings-gennemsnitlig værdi i den aktuelle undersøgelse. Figur 2b viser forskydnings stress afhængigheden af den effektive forskydnings viskositet ved forskellige temperaturer under første og anden kørsler. Figur 2c præsenterer variation blandt den effektive forskydnings viskositet udløst af UV-bestråling ved forskellige temperaturer. Figur 2d viser koblings kurver for den effektive forskydnings viskositet i en bjælke skala ved to forskellige temperaturer (dvs. en i N-fasen og den anden i TB-fasen). Den detaljerede temperaturafhængighed af koblings tiderne er opsummeret i tabel 1.
Figur 3a, b viser teksturer af CB6OABOBu i en ikke-justeret prøve under 50 MW/cm2 UV-stråling ved 80 °c (figur 3a) og efter afkøling til 60 °c (figur 3b). Foto-DSC kurver af figur 3c påvise, at ved afkøling, i-N fase overgange af Trans-og CIS-isomerer er forskellige. Selvom foto-DSC er nyttigt til at opdage forskelle mellem de mørke og let stimulerede stater, skal det bemærkes, at Photo-DSC normalt gør det vanskeligt at kvantitativt sammenligne den virkelige varme strøm af forskellene, da baseline af DSC kurver ændringer betydeligt på grund af lys absorption af prøven og metaloverfladen af DSC pan. Figur 3d viser, at ved opvarmning er smeltningen af krystal fasen af Trans-og CIS-isomerer forskellige, målt ved konventionel DSC. Figur 3e, f viser xrd diffraktion plots af diffracted intensitet som en funktion af d-afstand uden og med UV-bestråling, hhv. Det kan ses, at intensiteten ved hvert højdepunkt ændres drastisk, når UV-lys bestråles, primært tilskrives den krystallinske strukturelle omdannelse og lokal smeltning.
Figur 1: kemisk struktur af CB6OABOBu og udviklingen af teksturer på køling. a) kemisk struktur af CB6OABOBu og dens Fasesekvens. b) rumfyldnings molekyle modeller af CB6OABOBu optimeret af mm2 ForceField i modellerings programmet. (c) POM teksturer af CB6OABOBu under krydsede polarisatorer i en 2 μm-tyk celle med ensartet gnides planar justering; under afkøling uden UV-belysning. Top: i N-fasen ved 140 °C; midterste: i TB-fasen ved 104 °C; bottom: ved TB-Cry fase Transition. d) POM-teksturer ved 90 °c, som illustrerer foto koblingsprocessen. Top: før UV; midt: sameksistens mellem N-og TB-faser kort efter 30 mW/cm2 UV-stråling ved 365 nm; bund: afslappet TB tekstur efter slukning af UV-belysning. Skala søjler repræsenterer 100 μm. Dette tal er blevet tilpasset med tilladelse fra Aya et al.26. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: rheologiske egenskaber og foto dynamik ved foto kobling af de rheologiske egenskaber af CB6OABOBu. a) temperatur afhængigheden af den effektive forskydnings viskositet målt ved en konstant forskydningsbelastning på 13 PA i rotationstilstand med forskellige UV-irradianser: 0 MW/cm2 (røde cirkler), 32,7 MW/cm2 (sorte cirkler) og 59,6 MW/cm2 (blå diamanter). (b) den effektive forskydnings viskositet som en funktion af stigende forskydningsbelastning ved udvalgte temperaturer. Sorte fyldte cirkler (100 °C) og grøn fyldte diamanter (102 °C) er data målt ved den første scanning, mens sorte åbne cirkler (100 °C) og grønne åbne diamanter (102 °C) er de data, der måles på den anden scanning. c) gentagelig foto kobling af den effektive forskydnings viskositet ved 59,6 MW/cm2 irradiance. Høje og lave værdier i hver temperatur svarer til UV-OFF og UV-ON stater. d) foto kobling af den effektive forskydnings viskositet, som er vist på en bjælke skala ved 97 °C i TB-fasen og 90 °C i Cry-fasen. Blå og røde solide linjer til TB-fasen er bedst egnet kurver ved hjælp af simpel eksponentiel funktion på UV-ON og UV-OFF stater. UV-intensiteten er 59,6 mW/cm2. Dette tal er blevet ændret og tilpasset med tilladelse fra Aya et al.26. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3: dokumentation for eksistensen af mikro-adskilte domæner med forskellige krystalstrukturer i Cry-fasen. (a, b) POM teksturer gennem blåt filter under 50 mW/cm2 UV-bestråling i en ottekantet plet af formen af feltet iris membran i midten ved (a) 80 °c og (b) 60 °c. c) temperatur, der er omfattet af prøvens varme strøm under afkøling med en hastighed på 10 °c/min uden UV (sorte prikker) og under UV (blå prikker). d) temperatur-og varme strømme af den Trans-rige prøve under opvarmning ved 2 °c/min og 10 °c/min. (henholdsvis sorte og blå kurver) uden UV og af den CIS-rige prøve ved 2 °c/min. hastighed (rød kurve). (e, f) Vist er d-afstand afhængighed af vidvinkel X-ray diffraktion intensitet. f) forstørret visning af den lille d-værdi region i panel e. blå stiplede, røde faste og sorte lange stiplede linjer indikerer røntgen diffraktions profilerne uden UV-belysning, under 10 MW/cm2 irradians i henholdsvis 1 min og 10 min. Åbne og fyldte nedadgående trekanter viser stigninger og fald i den diffracted intensitet af hver spids. Dette tal er blevet ændret og tilpasset med tilladelse fra Aya et al.26. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Som afsløret i figur 1, er CB6OABOBu et foto-lydhør materiale med i, N, TB, og Cry fase sekvenser ved afkøling. Da den lokale rækkefølge af disse faser afviger markant, forventes det foto styrede skift af rheologiske egenskaber at udvise god viskoelastisk kontrast. Til kvantitativ undersøgelse af dette blev der udført foto-rheology-målinger.
For det første betragter vi de rheologiske data målt i mørke (figur 2a, røde åbne cirkler). Ved i-N-fasens overgang aftager den effektive viskositet (ηEFF), som tilskrives en forskydnings induceret strømnings justering. I N-fasen er viskositeten praktisk taget uafhængig af forskydnings belastningen, hvilket indikerer en Newtonian væske adfærd (figur 2b). Overgangen til TB-fasen resulterer i en forøgelse af den effektive forskydnings viskositet med en størrelsesorden. I betragtning af, at TB-fasen har en lokal nematisk bestilling, men udstiller pseudo-lag struktur analogt med den smectic bestilling, stigningen i den effektive forskydnings viskositet tilskrives dannelsen af pseudo-lag strukturer.
I TB-fasen observeres kraftig forskydnings udtynding med klare tærskelværdier som følge af justering af pseudo lags strukturerne (figur 2b). Efterfølgende størkning af prøven resulterer i et skarpt spring i ηEFF (
forskydningsbelastning, hvis forskydnings hastigheden holdes konstant) med fem størrelsesordener. Den store spredning af forskydnings viskositets data i krystal fasen er et resultat af prøvens store modstand, der udøves på den roterende kegle. Prøven, i dette regime, er en solid karakteriseret ved opbevaring modulus i stedet for en væske karakteriseret ved viskositet. Resultater under UV-intensiteter på 32,7 mW/cm2 og 59,6 MW/cm2 vises som sorte fyldte cirkler og blå åbne diamanter. Der er observeret tre væsentlige forskelle mellem disse data, og som måles i mørke: 1) en nedforskydning af overgangs temperaturer, 2) et fald i ηEFF i hver fase og 3) ingen signifikant viskositet variation blandt den oprindelige N-TB overgang temperatur for belyste prøver, hvilket forklares ved, at TB-fasen forsvinder under UV-lys.
Det er klart, at de rheologiske egenskaber faktisk er betydeligt adskilte i forskellige faser. For at teste det foto styrede rheologiske Skift blev der udført rheologiske målinger ved lysende UV-lys på prøven. Figur 2c afslører, at den foto-drevne rheologiske Skift har forskellige kontrastværdier ved forskellige temperaturer: næsten 1 i i og N faser, 10 i TB fase, og 106 i Cry fase. Koblings tiderne til og fra er også meget korte (~ 100 s, til-og fra-skifttider vist i tabel 1) både i TB-og Cry-faserne. Koblings tiden defineres som den forbigående tid for variationen af effektiv viskositet fra 90% til 10% af dens oprindelige værdi (som før UV-bestråling). Da kontrasten i forskellige faser er forskellig, kan koblings tiden ikke sammenlignes ligeligt mellem forskellige faser. Det er værd at bemærke, at for andre smeltede væsker, den oprindelige krystal fase typisk genopretter inden for flere timer til flere dage, da deres høje viskositet forhindrer bagud reaktion i bulk, selv ved høje temperaturer9,14.
For at bestemme årsagen til fraværet af langsom nukleation, POM observation, foto-DSC, og XRD målinger blev udført. Som POM billeder i figur 3 viser, lysende UV i Cry fase udløser smeltning til i fase ved 80 °c (CIS-State Rich). Opretholdelse af UV-bestråling, samtidig med at temperaturen mindskes, bevirker, at CIS-tilstands molekyler krystallisering sker ved forskellige temperaturer end i Trans staten. Dette antyder en mikroopdeling af Trans-og CIS-stater. Foto-DSC-data giver direkte bevis for dette. Som figur 3c, d viser, resulterer udsættelse for UV-lys i opdeling af fase overgangs toppe for både i-N (på køling) og krystal smeltning (på opvarmning). Disse bekræfter, at Trans-og CIS-State-molekyler udgør forskellige fase strukturer. Hidtil, de fleste af de udforskede foto liquefactions skylder deres oprindelse til foto-induceret temperaturskift af glas overgang. I modsætning hertil viser dette arbejde en ny arbejds mekanisme i at realisere hurtige foto flydendegørelse processer, bortset fra nogle nylige opdagelser27,28.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har intet at afsløre.
Acknowledgments
Dette arbejde blev støttet af det bilaterale fælles forskningsprojekt "HAS-JSPS". Finansiel støtte fra tilskud NKFIH PD 121019 og FK 125134 er anerkendt.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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).
