Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Høy kontrast og rask Photorheological veksling av en Twist-Bend Nematic Liquid Crystal

Published: October 31, 2019 doi: 10.3791/60433

Summary

Denne protokollen demonstrerer utarbeidelse av et photorheological materiale som viser en solid fase, ulike flytende krystallinsk faser, og en isotropic væskefase ved å øke temperaturen. Presentert her er metoder for å måle strukturen-viscoelasticity forhold av materialet.

Abstract

Smart viskoelastiske materialer som reagerer på spesifikke stimuli er en av de mest attraktive klasser av materialer som er viktige for fremtidige teknologier, for eksempel on-demand valgbar vedheft teknologier, aktuatorer, molekylære klør, og nano-/microscopic masse Transportører. Nylig ble det funnet at gjennom en spesiell solid-flytende overgang, reologiske egenskaper kan vise vesentlige endringer, og dermed gi egnede smarte viskoelastiske materialer. Men å designe materialer med en slik eiendom er kompleks, og fremover og bakover veksling ganger er vanligvis lang. Derfor er det viktig å utforske nye arbeids mekanismer for å realisere fast-flytende overganger, forkorte bytte tiden, og forbedre kontrasten av reologiske egenskaper ved bytte. Her er en lett indusert krystall-flytende faseovergang observert, som er karakterisert ved hjelp av polarisert lys mikroskopi (POM), photorheometry, foto-differensial skanning reaksjonskalorimetri (Foto-DSC), og X-ray Diffraksjon (XRD). Den lys-indusert krystall-flytende fase overgangen presenterer viktige funksjoner som (1) rask veksling av krystall-flytende faser for både forover og bakover reaksjoner og (2) et høyt kontrastforhold på viscoelasticity. I karakterisering, er POM fordelaktig i å tilby informasjon om den romlige fordelingen av LC molekyl orientering, bestemme type flytende krystallinsk faser vises i materialet, og studere orienteringen av LCs. Photorheometry tillater måling av et materialets reologiske egenskaper underlette stimuli og kan avdekke de photorheological koblingsegenskapene til materialene. Photo-DSC er en teknikk for å undersøke termodynamisk informasjon om materialer i mørket og under lys bestråling. Endelig, XRD tillater studier av mikroskopiske strukturer av materialer. Målet med denne artikkelen er å tydelig presentere hvordan man skal forberede og måle diskutert egenskapene til et photorheological materiale.

Introduction

Smart mekanisk materiale med evne til å endre sine viskoelastiske egenskaper som svar på miljø variasjon har generert enorm interesse blant forskerne. Switchability anses å være den viktigste Material faktoren, som gir robusthet av repeterende mekanisk respons i levende organismer. Hittil har kunstige valgbar materialer med allsidige funksjoner er designet ved å utnytte myk materie (dvs. photoresponsive hydrogeler1,2,3, polymerer4,5, 6,7,8,9,10,11, flytende krystaller [LCs]9,10,11, 12,13,14,15,16,17, pH-responsive miceller18,19,20 ,21,22og overflateaktive stoffer23). Men disse materialene lider av mer enn ett av følgende problemer: mangel på Reversibilitet, lav bytte kontrast ratio av viscoelasticity, lav tilpasningsevne, og langsom veksling hastighet. I konvensjonelle materialer, en hestekreftene mellom skifter kontrastforholdet mellom viscoelasticity og bytte hastighet; Dermed er det utfordrende å designe materialer som dekker alle disse kriteriene med høy ytelse. Å realisere materialer med de nevnte omnicapability, velge eller designe molekyler som bærer emergent natur både høy flyt (viskøs eiendom) og stivhet (elastisk eiendom) er viktig.

Flytende krystaller er ideelle systemer med et potensielt stort antall flytende krystallinsk og solide faser som kan stilles med molekylær design. Dette gjør at selv monterte strukturer med ulik lengde skalaer i spesielle LC-faser. For eksempel, mens høy-symmetri nematic LCs (NLCs) viser lav viskositet og elastisitet på grunn av deres kort rekkevidde romlig rekkefølge, lav-symmetri søyle eller smektisk LCs vise høy viskositet og elastisitet på grunn av en-og to-dimensjonale langtrekkende periodicities. Det er forventet at hvis LC materialer kan byttes mellom to faser med store forskjeller i deres viskoelastiske egenskaper, deretter en viskoelastiske smart materiale med høy ytelse kan oppnås. Noen få eksempler har blitt rapportert9,10,11,12,13,14,15.

Denne artikkelen demonstrerer utarbeidelse av en photorheological LC materiale med en fase sekvens av isotropic (I)-nematic (N)-Twist-bøye nematic (TB)24-Crystal (Cry) ved kjøling (og vice versa ved oppvarming), som viser rask og reversibel viskoelastiske skifter som respons på lys. Presentert her er metodene for å måle viscoelasticity og en illustrasjon av mikroskopisk struktur-viscoelasticity forholdet. Detaljer er beskrevet i representative resultater og diskusjons seksjoner.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. utarbeidelse av gnidd overflater for å samkjøre LC molekyler planarly

  1. Forbered rene glass underlag.
    1. Skjær glass underlag ved hjelp av en diamant-basert glass kutter (tabell av materialer) i små firkantede biter med gjennomsnitt størrelser på 1 cm x 1 cm. vask dem ved sonikering ved 38 kHz eller 42 kHz i et alkalisk vaskemiddel (tabell med materialer, fortynnet i vann ved vaskemiddel: vannvolum ratio på 1:3) og skyll med destillert vann gjentatte ganger (vanligvis mer enn 10x med 5 min av sonikering for hver skylling).
    2. Utsett underlaget for ultrafiolett-ozon (UV-O3) Cleaner (tabell av materialer) i mer enn 10 min.
  2. Coat Planar innretting lag på rent glass underlag.
    1. Drypp 20 μL av 1 mL av en Polyimide Planar justerings løsning (tabell med materialer, brukt som den er) med en pipette på de rene glass underlaget. Umiddelbart spin-coat løsningen, ved hjelp av en spin elektrostatisk (tabell av materialer) ved 3 000 RPM og romtemperatur (RT) for 70 s.
      Merk: den typiske tykkelsen på justeringen laget er ca 20 NM.
    2. Stek det belagte glass underlaget ved 80 ° c i 60 min for å fjerne væsken og ved 180 ° c i > 60 min for herding. Gni underlaget ved hjelp av en rayon-klut rubbing maskin (tabell av materialer) med følgende parametre: rotasjonshastighet = 300 RPM, plate hastighet = 20 mm/s, og inntrykk = 0,3 mm å realisere uniaxial justering av LC materialer.

2. utarbeidelse av LC-celler

  1. Plasser et glass substrat belagt med justeringen laget på et annet substrat, med justeringen lagene ansikt til ansikt, og sikre at de er 80% overlappes til å danne en celle.
    Merk: de 20% nonoverlapped overflatene skal brukes til å innføre LC-materialer i cellen.
  2. Plasser 100 μL av et photoreactive lim (tabell av materialer) og 0,1 mg mikrometer glass partikler (diameter = 5 μm) på et rent glass substrat og bland dem manuelt ved hjelp av tuppen av en binders. Flytte blandet materiale til fire hjørner av cellen for å justere celle gapet og belyse cellen ved hjelp av en lavtrykks kvikksølvdamp kort bue lampe (tabell med materialer) med en bølgelengde på 365 nm (1,1 W/cm2). Plasser cellen under LED-lampen i en avstand på 1 cm i 5 minutter.
  3. Etter belysning, plassere cellen på en varm scene og sette målet temperaturen på scenen for å varme cellen til en temperatur over isotropic væske (I)-nematic (N) faseovergang (vanligvis ved 160 ° c). Overfør LC-materialet (1-[4-butoxyazobenzene-4'-yloxy]-6-[4-cyanobiphenyl-4 ' YL] Heksan; CB6OABOBu; 0.2 − 10.0 μL) på en åpen overflate av cellen og skyver materialene mot celle inngangen ved hjelp av en microspatula for å få kontakt mellom LC-materialet og inngangen til cellen. Vent til LC materialer skal fylles i cellen ved kapillær kraft.
    Merk: CB6OABOBu har en fase sekvens: cry 100,3 ° c TB 105,2 ° c N 151,7 ° c i på varme og jeg 151,4 ° c N 104,5 ° c TB 83 ° c Cry på kjøling. Ikke Presenter CB6OABOBu i N-fasen eller TB-fasen fordi flyt indusert justering fremmes.

3. Texture karakterisering av polarisert optisk mikroskopi

  1. Observer LC-cellene plassert på den varme etappen for å kontrollere prøvetemperaturen (40 − 180 ° c) med ± 0,1 K nøyaktighet under et polarisert lys mikroskop (POM, tabell over materialer) ved hjelp av 4X − 100 mål linser. Record teksturer ved hjelp av en digital farge kamera sekvensielt under kjøling og oppvarming.
  2. Bruk en UV Epi-belysning (tabell av materialer) som er UTSTYRT på pom med en bølgelengde på 365 nm (50 MW/cm2).

4. Photorheological målinger

  1. Forbered reologiske målinger.
    1. Før du plasserer noen prøve på scenen i rheometer (tabell av materialer), utføre geometri treghet kalibrering og null gap kalibrering styrt av en programvare i henhold til produsentens instruksjoner for å sikre nøyaktigheten av reologiske studien . Veie 250 mg av CB6OABOBu pulver prøve og laste den inn på basen kvarts plate av rheometer.
      Merk: for denne studien brukes en tallerken med en diameter på 50 mm.
    2. Still inn temperaturen på prøvekammeret til en verdi over i-N fase overgangspunktet (> 160 ° c). Sett en gap verdi for å nærme seg måle platen til basen kvarts plate til sandwich prøven (vanlig gap verdi brukt = 20 μm). Trim overflødig prøve (for eksempel ved å bruke papirkluter) som er utenfor gapet når måle platen stopper ved beskjærings posisjonen, som er 25 μm over mål gapet.
      Merk: ikke la overflødig mengde av CB6OABOBu innføres i prøvekammeret, da dette gjør målingene unøyaktige.
  2. Utfør reologiske målinger.
    1. Irradiate UV-lys ved 365 NM (1 − 100 mW/cm2), måle photorheological veksling av CB6OABOBu ved hjelp av høytrykks kvikksølvdamp kort bue lampe.
      Merk: lyset vil bli guidet fra under prøven beholderen gjennom basen kvarts plate.
    2. Utfør målinger i 1) oscillasjon modus for å utvinne dynamisk gjenopprette informasjon av materialet og 2) jevn rotasjons modus for å oppnå effektiv rotasjons viskositet. For målinger i rotasjons modus, Påfør en konstant skjær stress på 13 pa til prøven for å sikre at målingen er gjort i newtonsk regime.
      Merk: valg av modusene utføres av en programvare i henhold til produsentens anvisninger.

5. Foto-differensial skanning reaksjonskalorimetri

  1. Veie 10 mg CB6OABOBu pulver prøve og laste det inn i en gull differensial skanning reaksjonskalorimetri (DSC) Pan. Varm opp prøven til 170 ° c i isotropic fasen og påse at det ikke er noen inhomogen prøve fordeling i DSC-pannen som observert av det blotte øye. Dekk til DSC-pannen med en kvarts plate.
  2. Utfør Foto-DSC-målinger i henhold til produsentens anvisninger (tabell over materialer). Mål DSC-data ved en skanning på 10 ° c/min.
    Merk: Photo-DSC-maskinen er utstyrt med en UV-lys intensitet på 50 mW/cm2.

6. røntgen Diffraksjon karakterisering

  1. Varm opp pulveret CB6OABOBu prøven ved å bruke den varme scenen ved 170 ° c og suge prøven inn i en XRD kapillær (diameter = 0,5 mm) med kapillær kraft.
  2. Fest kapillær til en prøve holderen utstyrt med en temperatur kontroller. Sett 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 X-ray Diffraksjon måling).
  3. Irradiate prøven med røntgen og Oppdag diffracted røntgenstråler med en detektor uten UV-bestråling og under en UV-lys intensitet på 10 mW/cm2 for 1 min og 10 min.
    Merk: den nåværende studien ble gjennomført i RIKEN beamline BL45XU. Lyskilden var SPring-8 standard i vakuum-undulator. En flytende nitrogen-avkjølt si dobbel krystall monokromator ble brukt til å monochromatize strålen. Bølgelengden var 1 å.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

POM-bilder, photorheometric data, foto-DSC-data, og XRD intensitet profiler ble samlet i mørket under temperaturvariasjon og mens skinnende UV lys. Figur 1a, b representerer strukturen i CB6OABOBu, med sin fase sekvens og mulige konformasjonen optimalisert av mm2 Forcefield i modellering programmet (f. eks, ChemBio3D).

Når CB6OABOBu er i trans-stat, to energi-troverdige conformational statene vises, og vridd konformasjon er den mest stabile som fremmer dannelsen av TB fase. Når CB6OABOBu er glade for CIS-staten når de utsettes for UV-lys, en knekk-konformasjon er realisert. Selv om dagens conformational optimalisering gjort av modellering programmet er nyttig for å bestemme konformasjon av et enkelt molekyl, kan det ikke brukes for å simulere conformational tilstand av flere molekyler som er i samspill, eller til og med for selv-forsamlinger av større molekylære klynger.

Figur 1c, d viser pom teksturer i mørket og under 30 MW cm− 2 UV Irradians, under kjøling av prøven i en 2 μm-tykk LC celle med jevnt gnidd Planar justering. I N-fasen realiseres uniaxial justering av molekyler (figur 1c, topp). Når redusere temperaturen til TB i mørket, en stripete mønster former, der stripene kjøre parallelt med rubbing retning av LC cellen (figur 1c, midten). Dette stripe mønsteret oppstår som et resultat av knekking ustabilitet og er anerkjent som et symbol på TB fase, først rapportert av Panov et al.25. Ytterligere avtagende av temperaturen fører til krystallisering (figur 1c, bunn). Bestråling av UV-lyset endrer konformasjon fra trans-til CIS-stat, noe som resulterer i fase variasjon og dermed tekstur variasjon. Hvis du starter fra TB-fasen, forvandler UV-lyset den stripete teksturen til uniaxially justerte tilstand N-fase (figur 1d, øverste midten). Slå av UV-lyset gjør at molekylene til å slappe av og angi den Trans-stat, og den stripete teksturen i TB fase skjemaene igjen.

Figur 2 viser effektiv viskositet av CB6OABOBu under ulike forhold målt ved rheometer. Figur 2a viser temperatur avhengig av effektiv skjær viskositet. Grunnen til å kalle den målte viskositet effektiv skjær viskositet er at de reelle komponentene i viskositet i flytende krystaller er orientering-avhengige, og den målte viskositet er en orientering-gjennomsnittet verdi i den aktuelle studien. Figur 2b viser skjær stress avhengighet av effektiv skjær viskositet ved ulike temperaturer i løpet av første og andre går. Figur 2c presenterer variasjon blant effektiv SKJÆR viskositet utløst av UV bestråling ved ulike temperaturer. Figur 2d demonstrerer bytte kurver av effektiv skjær viskositet i en stokk skala ved to forskjellige temperaturer, (dvs. en i N fase og den andre i TB fase). Den detaljerte temperatur avhengigheten mellom koblings tidene oppsummeres i tabell 1.

Figur 3a, b viser teksturer av CB6OABOBu i en nonaligned prøve under 50 MW/cm2 UV Irradians ved 80 ° c (Figur 3a) og etter avkjøling til 60 ° c (Figur 3b). Foto-DSC kurver av Figur 3c demonstrere at ved kjøling, i-N fase overganger av Trans-og CIS-isomerene er forskjellige. Selv om Photo-DSC er nyttig for å oppdage forskjeller mellom de mørke og lys-stimulert statene, bør det bemerkes at Photo-DSC vanligvis gjør det vanskelig å kvantitativt sammenligne den virkelige varmestrømmen av forskjellene, siden Baseline for DSC kurver endres betydelig på grunn av lys absorpsjon av prøven og metalloverflaten på DSC-pannen. Figur 3d demonstrerer at ved oppvarming, smelting av krystall fasen av Trans-og CIS-isomerene er forskjellige, målt ved konvensjonell DSC. Figur 3e, f viser XRD Diffraksjon plott av diffracted intensitet som en funksjon av d-avstand uten og med UV bestråling, henholdsvis. Det kan sees at intensiteten på hver topp endres drastisk når UV-lys er bestrålt, hovedsakelig tilskrevet den krystallklare strukturelle transformasjonen og lokal smelting.

Figure 1
Figur 1: kjemisk struktur av CB6OABOBu og utviklingen av teksturer på kjøling. (a) kjemisk struktur av CB6OABOBu og dens fase sekvens. (b) Space-fylling molekylære modeller av CB6OABOBu optimalisert av mm2 Forcefield i modellering programmet. (c) pom teksturer av CB6OABOBu under krysset polarisatorer i en 2 μm-tykk celle med jevnt gnidd Planar justering; kjøling uten UV-belysning. Topp: i N-fase ved 140 ° c; midten: i TB-fasen ved 104 ° c; nederst: på TB-Cry fase overgangen. (d) pom teksturer ved 90 ° c som illustrerer photoswitching prosessen. Topp: før UV; midten: sameksistens mellom N-og TB-fasene kort etter 30 mW/cm2 UV irradians ved 365 NM; nederst: avslappet TB-tekstur etter at UV-belysningen er slått av. Vektstenger representerer 100 μm. Dette tallet er tilpasset med tillatelse fra Aya et al.26. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2: reologiske egenskaper og photodynamics av photoswitching av reologiske egenskapene til CB6OABOBu. (a) temperatur avhengig av effektiv skjær viskositet målt ved en konstant skjær stress på 13 pa i rotasjons modus med forskjellige UV-irradiances: 0 MW/cm2 (røde sirkler), 32,7 MW/cm2 (sorte sirkler) og 59,6 MW/cm2 (blå diamanter). (b) effektiv skjær viskositet som en funksjon av økende skjær stress ved utvalgte temperaturer. Svarte, fylte sirkler (100 ° c) og grønne diamanter (102 ° c) er data målt ved første skanning, mens sorte åpne sirkler (100 ° c) og grønne åpne diamanter (102 ° c) er dataene som måles på den andre skanningen. (c) repeterbar photoswitching av effektiv skjær viskositet ved 59,6 MW/cm2 Irradians. Høye og lave verdier i hver temperatur tilsvarer UV-OFF og UV-ON-tilstander. (d) Photoswitching av effektiv skjær viskositet vist på en stokk skala ved 97 ° c i TB-fase og 90 ° c i Cry-fasen. Blå og røde heltrukne linjer for TB-fasen er best tilpassede kurver som bruker enkel eksponentiell funksjon på UV-ON-og UV-OFF-tilstander. UV-intensiteten er 59,6 mW/cm2. Dette tallet har blitt modifisert og tilpasset med tillatelse fra Aya et al.26. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3: bevis for eksistensen av mikro-segregert domener med forskjellige krystallstrukturer i Cry-fasen. (a, b) POM teksturer gjennom blått filter under 50 mW/cm2 UV Irradians i en åttekantet flekk av formen på feltet Iris membran i midten ved (a) 80 ° c og (b) 60 ° c. (c) temperatur dependences av varmestrømmen i prøven under avkjøling med en hastighet på 10 ° c/min uten UV (sorte prikker) og under UV (blå prikker). (d) temperatur dependences av varmestrømmen av den Trans-rike prøven under oppvarming ved 2 ° c/min og 10 ° c/min priser (svart og blå kurver, henholdsvis) uten UV, og av CIS-rik prøve ved 2 ° c/min rate (rød kurve). (e, f) Vist er d-avstand avhengighet av vidvinkel X-ray Diffraksjon intensitet. (f) forstørret visning av det lille d-verdi-området på panel e. blå stiplede, røde, og svarte, lange stiplede linjer angir X-ray-Diffraksjon profiler uten UV-belysning, under 10 MW/cm2 Irradians for henholdsvis 1 min og 10 min. Åpne oppover og fylt nedover trekanter viser økninger og reduksjoner i diffracted intensiteten av hver topp. Dette tallet har blitt modifisert og tilpasset med tillatelse fra Aya et al.26. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Som avslørt i figur 1, er CB6OABOBu et foto-responsiv materiale med jeg, N, TB, og Cry fase sekvenser ved kjøling. Siden lokal bestilling av disse fasene avviker betydelig, er Foto-drevet veksling av reologiske egenskaper ventes å vise god viskoelastiske kontrast. For å kvantitativt undersøke dette, ble Foto-Reologi målinger utført.

Først vurderer vi reologiske data målt i mørket (figur 2a, røde åpne sirkler). På i-N fase overgangen, effektiv viskositet (ηEFF) avtar, som tilskrives en skjær-indusert flyt justering. I N-fasen er viskositet praktisk talt uavhengig av skjær stresset, noe som indikerer en newtonsk væske adferd (figur 2b). Overgangen til TB fase resulterer i en økning av effektiv skjær viskositet med en størrelsesorden. Tatt i betraktning at TB fase har en lokal nematic bestilling, men utstillinger pseudo-lags struktur analoge til smektisk bestilling, økningen av effektiv skjær viskositet er tilskrevet dannelsen av pseudo-Layer strukturer.

I TB-fasen er det observert sterk skjærfortynning med klare terskelverdier som følge av omstilling av pseudo-lag strukturene (figur 2b). Påfølgende herding av prøven resulterer i et skarpt hopp i ηEFF (Icon skjær stress hvis skjær rate holdes konstant) av fem størrelsesordener. Den store spredningen av data for skjær viskositet i krystall fasen er et resultat av den store motstanden i prøven som utøves på den roterende membranen. Prøven, i dette regimet, er en solid karakterisert ved lagring modul i stedet for en væske preget av viskositet. Resultater under UV-intensitet på 32,7 mW/cm2 og 59,6 MW/cm2 vises som svart fylte sirkler og blå åpne diamanter. Tre hovedforskjeller er observert mellom disse dataene og som målt i mørket: 1) en Downshift av overgangs temperaturer, 2) en nedgang i ηEFF i hver fase, og 3) ingen signifikant viskositet variasjon blant den opprinnelige N-TB overgang temperatur for opplyste prøver, som forklares med forsvinningen av TB fase under UV lys.

Det er klart at reologiske egenskaper er faktisk betydelig forskjellig i ulike faser. For å teste den Foto drevne reologiske vekslingen ble reologiske målinger utført av skinnende UV-lys på prøven. Figur 2c avslører at Foto drevne reologiske switching har forskjellige kontrastverdier ved forskjellige temperaturer: nesten 1 i i-og N-FASENE, 10 i TB-fasen og 106 i rop fasen. Av/på-skifter tidene er også svært korte (~ 100 s, ON og OFF skifter ganger vist i tabell 1) både i TB og Cry faser. Vekslings tiden er definert som transient tid for variasjon av effektiv viskositet fra 90% til 10% av den opprinnelige verdien (som før UV-bestråling). Siden kontrasten i forskjellige faser er forskjellige, kan koblings tiden ikke være forholdsvis sammenlignet mellom ulike faser. Det er verdt å merke seg at for andre flytende væsker, den opprinnelige krystall fasen vanligvis gjenoppretter innen flere timer til flere dager, siden deres høy viskositet hindrer bakover reaksjon i bulk, selv ved høye temperaturer9,14.

For å fastslå årsaken til fraværet av langsom kjernedannelse, ble POM-observasjon, Photo-DSC og XRD-målinger utført. Som POM bilder i Figur 3 show, skinner UV i Cry fase utløser smelter til i fase ved 80 ° c (CIS-stat rik). Opprettholde UV-bestråling mens redusere temperaturen fører krystallisering av CIS-statlige molekyler til å skje ved forskjellige temperaturer enn de av Trans-stat. Dette antyder en microsegregation av Trans-og CIS-statene. Foto-DSC-data gir direkte bevis for dette. Som Figur 3c, d viser, eksponering for UV-lys resulterer i splitting av fase overgangen topper for både i-N (på kjøling) og krystall smelting (på oppvarming). Disse bekrefter at trans-og CIS-statlige molekyler danner forskjellige fase strukturer. Så langt, de fleste av de utforsket bildet liquefactions skylder sin opprinnelse til Foto-indusert temperatur forskyvning av glass overgang. I kontrast demonstrerer dette arbeidet en ny arbeider mekanisme i å realisere rask bilde LNG-prosesser, bortsett fra noen nylige funn27,28.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

Dette arbeidet ble støttet av det JSP bilaterale felles forskningsprosjektet. Finansiell støtte fra tilskudd NKFIH PD 121019 og FK 125134 er anerkjent.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Yamamoto, T., Norikane, Y., Akiyama, H. Photochemical liquefaction and softening in molecular materials, polymers, and related compounds. Polymer Journal. 50, 551-562 (2018).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Saito, S., et al. Light-melt adhesive based on dynamic carbon frameworks in a columnar liquid-crystal phase. Nature Communications. 7, 1-7 (2016).
  15. Peng, S., Guo, Q., Hughes, T. C., Hartley, P. G. Reversible Photorheological Lyotropic Liquid Crystals. Langmuir. 30, 866-872 (2014).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. Su, X., Cunningham, M. F., Jessop, P. G. Switchable viscosity triggered by CO2 using smart worm-like micelles. Chemical Communications. 49, 2655-2657 (2013).
  20. 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).
  21. 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).
  22. Akamatsu, M., et al. Photoinduced viscosity control of lecithin-based reverse wormlike micellar systems using azobenzene derivatives. RSC Advances. 8, 23742-23747 (2018).
  23. 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).
  24. Borshch, V., et al. Nematic twist-bend phase with nanoscale modulation of molecular orientation. Nature Communications. 4, 2635-2643 (2013).
  25. 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).
  26. Aya, S., et al. Fast-and-Giant Photorheological Effect in a Liquid Crystal Dimer. Advanced Materials Interfaces. 6, 1-7 (2019).
  27. 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).
  28. 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).

Tags

Kjemi flytende krystall Twist-bøy nematic fase azobenzene foto-Reologi herding-LNG-svitsjing polarisert lys mikroskopi foto-differensial skanning reaksjonskalorimetri X-ray Diffraksjon
Høy kontrast og rask Photorheological veksling av en Twist-Bend Nematic Liquid Crystal
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Aya, S., Salamon, P., Paterson, D.More

Aya, S., Salamon, P., Paterson, D. A., Storey, J. M. D., Imrie, C. T., Araoka, F., Jákli, A., Buka, Á. High-Contrast and Fast Photorheological Switching of a Twist-Bend Nematic Liquid Crystal. J. Vis. Exp. (152), e60433, doi:10.3791/60433 (2019).

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