Hoog contrast en snelle Photorheologische omschakeling van een twist-Bend Nematic Liquid Crystal
Summary
Dit protocol demonstreert de voorbereiding van een foto orheologisch materiaal dat een vaste fase vertoont, verschillende vloeibare kristallijne fasen en een isotrope vloeistoffase door de temperatuur te verhogen. Gepresenteerd hier zijn methoden voor het meten van de structuur-viscoelasticiteit relatie van het materiaal.
Abstract
Slimme viscoelastische materialen die reageren op specifieke stimuli zijn een van de aantrekkelijkste klassen van materialen die belangrijk zijn voor toekomstige technologieën, zoals on-demand schakelbare adhesie technologieën, actuatoren, moleculaire koppelingen en nano-/microscopische massa Vervoerders. Onlangs bleek dat door middel van een speciale vaste-vloeistof overgang, Rheologische eigenschappen significante veranderingen kunnen vertonen, waardoor geschikte slimme viscoelastische materialen worden geboden. Echter, het ontwerpen van materialen met een dergelijke eigenschap is complex, en vooruit en achteruit schakeltijden zijn meestal lang. Daarom is het belangrijk om nieuwe werk mechanismen te verkennen om vaste-vloeistof overgangen te realiseren, de schakeltijd te verkorten en het contrast van Rheologische eigenschappen tijdens het schakelen te verbeteren. Hier wordt een licht-geïnduceerde kristal-vloeistoffase overgang waargenomen, die wordt gekenmerkt door middel van polariserende Lichtmicroscopie (POM), photorheometrie, foto-differentiaal Scanning calorimetrische (Photo-DSC) en röntgendiffractie (XRD). De licht-geïnduceerde kristal-vloeistoffase transitie presenteert belangrijke kenmerken zoals (1) snel schakelen van kristal-vloeistof fasen voor zowel voorwaartse als achterwaartse reacties en (2) een hoge contrastverhouding van viscoelasticiteit. In de karakterisering is POM voordelig bij het aanbieden van informatie over de ruimtelijke verdeling van LC-molecuul oriëntaties, het bepalen van het type vloeibare kristallijne fasen in het materiaal en het bestuderen van de oriëntatie van LCs. Photorheometrie maakt het mogelijk om de Rheologische eigenschappen van een materiaal onder lichte stimuli te meten en kan de fotomorheologische Schakel eigenschappen van materialen onthullen. Photo-DSC is een techniek om thermodynamische informatie van materialen in duisternis en onder licht bestraling te onderzoeken. Ten slotte maakt XRD het bestuderen van microscopische structuren van materialen mogelijk. Het doel van dit artikel is om duidelijk te presenteren hoe de besproken eigenschappen van een foto orheologisch materiaal voor te bereiden en te meten.
Introduction
Slimme mechanische materialen met de mogelijkheid om hun visco-elastische eigenschappen te veranderen in reactie op omgevings variatie hebben enorme belangstelling bij onderzoekers gegenereerd. De Schakel baarheid wordt beschouwd als de belangrijkste materiële factor, die de robuustheid van repetitieve mechanische respons in levende organismen biedt. Tot op heden zijn kunstmatig schakelbare materialen met veelzijdige functies ontworpen door gebruik te maken van zachte stof (d.w.z. fotomoresponsieve hydrogels1,2,3, polymeren4,5, 6,7,8,9,10,11, vloeibare kristallen [LCs]9,10,11, 12,13,14,15,16,17, pH-responsief micellen18,19,20 ,21,22en oppervlakteactieve stoffen23). Echter, deze materialen lijden aan meer dan een van de volgende problemen: gebrek aan omkeerbaarheid, lage Schakel contrastverhouding van visco-elasticiteit, lage adaptiviteit, en langzame Schakelsnelheid. In conventionele materialen bestaat er een afweging tussen de contrastverhouding van de viscoelasticiteit en de Schakelsnelheid; het ontwerpen van materialen die al deze criteria met hoge prestaties bestrijken, is dus een uitdaging. Om materialen te realiseren met de bovengenoemde omnicapability, is het essentieel om moleculen te selecteren of te ontwerpen die emergente aard van beide hoge vloeibaarheid (visceuze eigenschap) en stijfheid (elastische eigenschap) dragen.
Vloeibare kristallen zijn ideale systemen met een potentieel groot aantal vloeibare kristallijne en vaste fasen die kunnen worden afgesteld door moleculair ontwerp. Dit zorgt voor zelf-geassembleerde constructies met verschillende lengte schalen in bepaalde LC-fasen. Terwijl hoge-symmetrie nematic LCs (Nlc’s) een lage viscositeit en elasticiteit vertonen vanwege de ruimtelijke volgorde van de korte afstand, vertonen lage-symmetrie kolommen of smectische LCs een hoge viscositeit en elasticiteit als gevolg van een-en tweedimensionaal lang bereik periodiciteiten. Verwacht wordt dat als LC-materialen kunnen worden geschakeld tussen twee fasen met grote verschillen in hun visco-elastische eigenschappen, dan een visco-elastisch slim materiaal met hoge prestaties kan worden bereikt. Een paar voorbeelden zijn gemeld9,10,11,12,13,14,15.
Dit artikel demonstreert de voorbereiding van een photorheologisch LC-materiaal met een fase sequentie van isotrope (I)-nematic (N)-twist-Bend nematic (TB)24-Crystal (Cry) bij koeling (en omgekeerd bij verwarmen), die snel en omkeerbaar vertoont Viscoelastisch schakelen als reactie op licht. Gepresenteerd hier zijn de methoden voor het meten van viscoelasticiteit en een illustratie van de microscopische structuur-viscoelasticiteit relatie. Details worden beschreven in de secties representatieve resultaten en discussie.
Protocol
Representative Results
Discussion
Zoals onthuld in Figuur 1, is CB6OABOBu een foto-responsief materiaal met I-, N-, TB-en Cry-fase sequenties bij koeling. Aangezien de lokale ordening van deze fasen aanzienlijk verschilt, wordt verwacht dat de door foto gestuurde omschakeling van Rheologische eigenschappen een goed Viscoelastisch contrast vertoont. Om dit te kwantificen onderzoeken werden foto-reologie metingen uitgevoerd.
Ten eerste beschouwen we de in het donker gemeten Rheologische gegevens (<s…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gesteund door het bilaterale gemeenschappelijk onderzoeksproject HAS-JSPS. Financiële steun van subsidies NKFIH PD 121019 en FK 125134 wordt erkend.
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).
