Summary
Bu protokol, katı faz, çeşitli sıvı kristal fazlar ve sıcaklığı artırarak izotropik sıvı faz sergileyen bir fotoromatolojik malzemenin hazırlanmasını göstermektedir. Burada malzemenin yapı-viskoelastisite ilişkisini ölçme yöntemleri sunulmuştur.
Abstract
Belirli uyaranlara yanıt veren akıllı viskoelastik malzemeler, isteğe bağlı değiştirilebilir yapışma teknolojileri, aktüatörler, moleküler debriyajlar ve nano/mikroskobik kütle gibi gelecekteki teknolojiler için önemli olan en cazip malzeme sınıflarından biridir. Taşıyıcı. Son zamanlarda özel bir katı-sıvı geçiş yoluyla, reolojik özellikleri önemli değişiklikler sergileyebilir bulundu, böylece uygun akıllı viskoelastik malzemeler sağlayan. Ancak, böyle bir özelliğe sahip malzemelerin tasarlanması karmaşıktır ve ileri ve geri geçiş süreleri genellikle uzundur. Bu nedenle, katı-sıvı geçişleri gerçekleştirmek, anahtarlama süresini kısaltmak ve anahtarlama sırasında reolojik özelliklerin kontrastını artırmak için yeni çalışma mekanizmaları keşfetmek önemlidir. Burada, Polarize ışık mikroskobu (POM), fotoromaometri, foto-diferansiyel tarama kalorimtrisi (foto-DSC) ve X-ışını kırınımı (XRD) ile karakterize ışık kaynaklı kristal-sıvı faz geçişi gözlenmektedir. Işık kaynaklı kristal-sıvı faz geçişi(1) hem ileri hem de geri reaksiyonlar için kristal-sıvı fazların hızlı anahtarlama ve (2) viskoelastisite yüksek kontrast oranı gibi temel özellikleri sunar. Karakterizasyonda POM, LC molekül oryantasyonlarının mekansal dağılımı hakkında bilgi sunma, malzemede görünen sıvı kristal evrelerinin türünü belirleme ve LC'lerin yönünü incelemede avantajlıdır. bir malzemenin reolojik özelliklerinin ışık uyaranları altında ölçülmesine izin verir ve malzemelerin fotoromatolojik anahtarlama özelliklerini ortaya çıkarabilir. Photo-DSC karanlıkta ve ışık ışınlama altında malzemelerin termodinamik bilgi araştırmak için bir tekniktir. Son olarak, XRD malzemelerin mikroskobik yapılarının incelenmesine izin verir. Bu makalenin amacı, fotoromatolojik bir materyalin tartışılan özelliklerini nasıl hazırlayacağıve ölçeceğini açıkça sunmaktır.
Introduction
Çevresel farklılıklara yanıt olarak viskoelastik özelliklerini değiştirebilme yeteneğine sahip akıllı mekanik malzemeler araştırmacılar arasında büyük ilgi yaratmış. Anahtarlanabilirlik, canlı organizmalarda tekrarlayan mekanik tepkisağlamlığı sunan en önemli malzeme faktörü olarak kabul edilir. Bugüne kadar, çok yönlü fonksiyonlara sahip yapay değiştirilebilir malzemeler yumuşak madde kullanılarak tasarlanmıştır (yani, fotoduyarlı hidrojeller1,2,3, polimerler4,5, 6,7,8,9,10,11, sıvı kristaller [LCs]9,10,11, 12,13,14,15,16,17, pH duyarlı micelller18,19,20 ,21,22, ve yüzey aktif maddeler23). Ancak, bu malzemeler aşağıdaki sorunlardan birden fazla muzdarip: geri döndürülebilirlik eksikliği, viskoelastisite düşük anahtarlama kontrast oranı, düşük adaptasyon, ve yavaş anahtarlama hızı. Konvansiyonel malzemelerde, viskoelastisitenin anahtarlama kontrast oranı ile anahtarlama hızı arasında bir denge vardır; bu nedenle, yüksek performans ile tüm bu kriterleri kapsayan malzemeler tasarımı zordur. Yukarıda belirtilen omnicapability ile malzeme gerçekleştirmek için, seçme veya hem yüksek akışkanlık (viskoz özelliği) ve sertlik (elastik özellik) acil doğa taşıyan moleküllerin tasarımı esastır.
Sıvı kristaller, moleküler tasarımla ayarlanabilen çok sayıda sıvı kristal ve katı faza sahip ideal sistemlerdir. Bu, özellikle LC aşamalarında farklı uzunluk ölçeklerinde kendi kendine monte edilmiş yapılara olanak tanır. Örneğin, yüksek simetrili nematik LC'ler (NLC'ler) kısa menzilli uzamsal sıraları nedeniyle düşük viskozite ve elastikiyet gösterirken, düşük simetrili columnar veya smektik LC'ler bir ve iki boyutlu uzun menzilli olmaları nedeniyle yüksek viskozite ve elastikiyet gösterirler. Periodicities. LC malzemelerin viskoelastik özelliklerinde büyük farklılıklar olan iki faz arasında geçiş yapAbiliyorsa, yüksek performanslı viskoelastik akıllı malzeme elde edilmesi beklenmektedir. Birkaç örnek bildirilmiştir9,10,11,12,13,14,15.
Bu makale, hızlı ve geri dönüşümlü olarak gösterilen, soğutma üzerine izotropik (I)-nematik (N)-büküm-büküm nematik (TB)24-kristal (Cry) faz sırası ile fotoreolojik LC malzemehazırlanması göstermektedir ışığa yanıt olarak viskoelastik anahtarlama. Burada viskoelastisite ölçme yöntemleri ve mikroskobik yapı-viskoelastisite ilişkisinin bir illüstrasyon sunulmuştur. Ayrıntılar temsili sonuçlar ve tartışma bölümlerinde açıklanmıştır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. LC moleküllerinin düzlemsel olarak hizalanması için ovuşturulmuş yüzeylerin hazırlanması
- Temiz cam yüzeyler hazırlayın.
- Bir elmas tabanlı cam kesici(Malzeme Tablosu)kullanarak kesme cam yüzeyleri 1 cm x 1 cm. boyutlarında küçük kare parçalar halinde 38 kHz veya 42 kHz alkali bir deterjanda sonication ile yıkayın (Malzeme Tablosu, suda seyreltilmiş bir deterjan:su hacmi oranı 1:3) ve tekrar tekrar distile su ile durulayın (genellikle, her durulama için sonication 5 dk ile 10x'ten fazla).
- Substratları 10 dakikadan fazla ultraviyole-ozon (UV-O3) temizleyici(Malzeme Tablosu)iletin.
- Temiz cam yüzeylerüzerine düzlemsel hizalama katmanını katlayın.
- Temizlenmiş cam yüzeylere pipet ile bir poliimid düzlemsel hizalama çözeltisinin(Malzeme Tablosu, olduğu gibi kullanılır) 1 mL'lik 20 μL damlatın. 3.000 rpm ve oda sıcaklığında (RT) 70 s'de bir spin coater(Malzeme Tablosu)kullanarak hemen çözeltiyi döndürün.
NOT: Hizalama tabakasının tipik kalınlığı yaklaşık 20 nm'dir. - Solventi çıkarmak için 80 °C'de kaplanmış cam yüzeyleri 60 dk, kür için >60 dk pişirin. LC malzemelerinin tek eksenli hizalamasını gerçekleştirmek için yüzeyleri rayon-bez sürtünme makinesi(Malzeme Tablosu)ile ovun: dönüş hızı = 300 rpm, plaka hızı = 20 mm/s ve izlenim = 0,3 mm.
- Temizlenmiş cam yüzeylere pipet ile bir poliimid düzlemsel hizalama çözeltisinin(Malzeme Tablosu, olduğu gibi kullanılır) 1 mL'lik 20 μL damlatın. 3.000 rpm ve oda sıcaklığında (RT) 70 s'de bir spin coater(Malzeme Tablosu)kullanarak hemen çözeltiyi döndürün.
2. LC hücrelerinin hazırlanması
- Hizalama katmanı yla kaplanmış cam bir yüzeyi başka bir alt tabaka üzerine yerleştirin, hizalama katmanları yüz yüze ve %80'inin bir hücre oluşturmak için çakışdığından emin olun.
NOT: %20'lik abartMayan yüzeyler hücreye LC malzemelerinin sokulmasında kullanılacaktır. - Bir fotoreaktif yapıştırıcının 100 μL'sini(Malzeme Tablosu)ve 0,1 mg mikrometre büyüklüğünde cam partiküllerini (çap = 5 μm) temiz bir cam alt tabakaüzerine yerleştirin ve bir ataş ucuyla el ile karıştırın. Hücre boşluğunu ayarlamak için karışık malzemeyi hücrenin dört köşesine taşıyın ve 365 nm (1,1 W/cm2)dalga boyu ile düşük basınçlı cıva buharı kısa ark lambası(Malzeme Tablosu)kullanarak hücreyi aydınlatın. 5 dakika boyunca 1 cm mesafede LED lamba altında hücre yerleştirin.
- Aydınlatmadan sonra, hücreyi sıcak bir aşamaya yerleştirin ve hücreyi izotropik sıvı (I)-nematik (N) faz geçişinin (genellikle 160 °C) üzerinde bir sıcaklığa ısıtacak şekilde sahnenin hedef sıcaklığını ayarlayın. LC malzemesini transfer edin (1-[4-butoxyazobenzene-4'-yloxy]-6-[4-cyanobiphenyl-4' yl]heksanen; CB6OABOBu; 0.2−10.0 μL) hücrenin açık bir yüzeyine ve lc malzeme ve hücre girişi arasında temas elde etmek için bir microspatula kullanarak hücre girişine doğru malzeme itin. LC malzemelerinin kılcal kuvvetle hücreye doldurulmasını bekleyin.
NOT: CB6OABOBu'nun faz sırası vardır: Cry 100.3 °C TB 105.2 °C N 151.7 °C I ısıtma ve I 151.4 °C N 104.5 °C TB 83 °C Soğutmada Cry. Cb6OABU'yu N fazına veya Tüberküloz fazına sokmayın, çünkü akışa bağlı hizalama teşvik edilir.
3. Optik mikroskopipolarize ederek doku karakterizasyonu
- 4x−100x objektif lensler kullanarak kutuplaştırıcı ışık mikroskobu (POM, Malzeme Tablosu)altında ± 0,1 K doğrulukla numune sıcaklığını (40−180 °C) kontrol etmek için sıcak sahneye yerleştirilen LC hücrelerini gözlemleyin. Soğutma ve ısıtma sırasında dijital renkli kamerayı kullanarak dokuları sırayla kaydedin.
- POM üzerinde 365 nm (50 mW/cm2)dalga boyu ile donatılmış bir UV epi-illuminator(Malzeme Tablosu)kullanın.
4. Fotoromatolojik ölçümler
- Reolojik ölçümleri hazırlayın.
- Reometre(Malzeme Tablosu)aşamasına herhangi bir örnek yerleştirmeden önce, reolojik çalışmanın doğruluğunu sağlamak için üreticinin talimatlarına göre bir yazılım tarafından kontrol edilen geometri atalet kalibrasyonu ve sıfır boşluk kalibrasyonu gerçekleştirin . CB6OABOBu toz numunesinin 250 mg'ını tartın ve reometrenin taban kuvars plakasına yükleyin.
NOT: Bu çalışmada çapı 50 mm olan bir plaka kullanılmaktadır. - Numune haznesinin sıcaklığını I-N faz geçiş noktasının (>160 °C) üzerinde bir değere ayarlayın. Numuneyi sandviçlemek için ölçüm plakasına taban kuvars plakasına yaklaşmak için bir boşluk değeri ayarlayın (kullanılan tipik boşluk değeri = 20 μm). Ölçüm plakası hedeflenen boşluğun 25 μm üzerinde olan kesme pozisyonunda durduğunda, fazla numuneyi (örn. kağıt mendil kullanarak) önsedin.
NOT: Ölçümleri yanlış yaptığından, fazla miktarda CB6OABOBu'nun numune odasına getirilmesine izin vermeyin.
- Reometre(Malzeme Tablosu)aşamasına herhangi bir örnek yerleştirmeden önce, reolojik çalışmanın doğruluğunu sağlamak için üreticinin talimatlarına göre bir yazılım tarafından kontrol edilen geometri atalet kalibrasyonu ve sıfır boşluk kalibrasyonu gerçekleştirin . CB6OABOBu toz numunesinin 250 mg'ını tartın ve reometrenin taban kuvars plakasına yükleyin.
- Romatolojik ölçümler yapın.
- YÜKSEK basınçlı cıva buharı kısa ark lambası kullanarak CB6OABOBu'nun fotoromatolojik anahtarlamasını ölçen UV ışığını 365 nm (1−100 mW/cm2)ışınla.
NOT: Işık, taban kuvars plakası aracılığıyla örnek kabın altından yönlendirilir. - 1) malzemenin dinamik geri alma bilgilerini ayıklamak için salınım modunda ölçümler yapın ve 2) etkili dönme viskozitesi elde etmek için sabit dönme modu. Döndürme modundaki ölçümler için, ölçümün Newton rejiminde yapıldığından emin olmak için numuneye 13 Pa'lık sabit bir kesme gerilimi uygulayın.
NOT: Modların seçimi üreticinin talimatlarına göre bir yazılım tarafından gerçekleştirilir.
- YÜKSEK basınçlı cıva buharı kısa ark lambası kullanarak CB6OABOBu'nun fotoromatolojik anahtarlamasını ölçen UV ışığını 365 nm (1−100 mW/cm2)ışınla.
5. Foto-diferansiyel tarama kalorimetre
- CB6OABOBu toz numunesi 10 mg tartın ve altın diferansiyel tarama kalorimetre (DSC) tavasına yükleyin. Numuneyi izotropik fazda 170 °C'ye ısıtın ve Çıplak gözle gözlemlendiği gibi DSC tavada homojen numune dağılımı olmadığından emin olun. DSC tavasını kuvars plakaile kapatın.
- Üreticinin talimatlarına göre foto-DSC ölçümleri yapın(Malzeme Tablosu). DSC verilerini 10 °C/dk'lık bir taramayı ölçün.
NOT: Foto-DSC makinesi 50 mW/cm2UV ışık yoğunluğu ile donatılmıştır.
6. X-ışını kırınım karakterizasyonu
- Toz CB6OABOBu numunesini 170 °C'deki sıcak evreyi kullanarak ısıtın ve numuneyi kapiller kuvvetle XRD kılcal damarına (çap = 0,5 mm) emin.
- Kılcal damarı sıcaklık kontrol cihazıyla donatılmış bir numune tutucuya takın. Oda sıcaklığını (60 °C, 70 °C, 80 °C, 90 °C, 100 °C, 110 °C, 120 °C, 130 °C, 140 °C, 150 °C, 160 °C ve her X-ışını kırınım ölçümü için 170 °C) ayarlayın.
- X-Ray ile numune ışınlamak ve UV ışınlama olmadan bir dedektör ile ve 1 0 mW /cm2 UV ışık yoğunluğu altında 1 dakika ve 10 dakika için difüzif X-ışını ışınları tespit.
NOT: Mevcut çalışma RIKEN beamline BL45XU yapılmıştır. Işık kaynağı SPring-8 standart vakum undulator oldu. Bir sıvı azot soğutmalı Si çift kristal monochromator Kiriş monokromtize için kullanılmıştır. Dalga boyu 1 Å'ti.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
POM görüntüleri, fotoromametrik veriler, foto-DSC verileri ve XRD yoğunluk profilleri sıcaklık değişimi sırasında ve UV ışığı parlarken karanlıkta toplandı. Şekil 1a,b, faz sırası ve modelleme programında MM2 forcefield tarafından optimize edilmiş olası konformasyonları (örneğin ChemBio3D) ile CB6OABOBu'nun yapısını temsil eder.
CB6OABOBu trans-devlet olduğunda, iki enerji-makul konformasyonel devletler görünür, ve bükülmüş konformasyon Tüberküloz fazOluşumu teşvik en kararlı biridir. CB6OABOBu UV ışığına maruz kaldığında cis-state için heyecanlı olduğunda, bir kink-konformasyon gerçekleştirilir. Modelleme programı tarafından yapılan mevcut konformasyonel optimizasyon tek bir molekülün konformasyonunu belirlemek için yararlı olsa da, etkileşim halinde olan birden fazla molekülün konformasyonel durumunu simüle etmek için kullanılamaz, hatta daha büyük moleküler kümelerin kendi kendini derlemeleri.
Şekil 1c,d pom dokularını karanlıkta ve 30 mW cm-2 UV ışınlaması altında, numunenin 2 μm kalınlığındaki LC hücresinde tek tip sürtünme düzlemsel hizada soğutulu sırasında gösterir. N fazında moleküllerin tek eksenli hizalaması gerçekleşir(Şekil 1c, üst). Karanlıkta tb için sıcaklık azaltırken, çizgili bir desen formları, hangi şeritler LC hücrenin sürtünme yönü paralel çalıştırmak(Şekil 1c, orta). Bu şerit desen bükme istikrarsızlık sonucu ortaya çıkar ve Tüberküloz fazının bir sembolü olarak kabul edilmektedir, ilk Panov ve ark.25tarafından bildirilen . Sıcaklığın daha da düşmesi kristalleşmeye yol açar(Şekil 1c, alt). UV ışığının ışınlanması trans-sis-state'ten konformasyonu değiştirir, bu da faz değişimi ve böylece doku değişimi ile sonuçlanır. Tüberküloz aşamasından başlayarak, UV ışığı çizgili dokuyu N fazının tek taraflı hizalanmış durumuna dönüştürür(Şekil 1d, üst-orta). UV ışığının kapatılıp moleküllerin gÃ1/4ã§lerini gÃ1/4ã§lerinigÃ1/4sÃ1/4ne ve trans- devlete tekrar girmelerine olanak saÄ lır ve TB fazının çizgili dokusu tekrar dÃ1/4å Ã1/4rÃ1/4lÃ1/4r.
Şekil 2, reometre ile ölçülen çeşitli koşullar altında CB6OABOBu'nun etkili viskozitesini göstermektedir. Şekil 2a etkili kesme viskozitesi sıcaklık bağımlılığını gösterir. Ölçülen viskoziteyi etkin kesme viskozitesi olarak adlandırmanın nedeni, sıvı kristallerde viskozitenin gerçek bileşenlerinin oryantasyona bağlı olması ve ölçülen viskozitenin mevcut çalışmada oryantasyon ortalaması değeri olmasıdır. Şekil 2b, birinci ve ikinci koşularda farklı sıcaklıklarda etkili kesme viskozitesinin kesme gerilimini gösterir. Şekil 2c, uv ışınlamanın tetiklediği etkili kesme viskozitesi arasında farklı sıcaklıklarda farklılık gösterir. Şekil 2d, etkili kesme viskozitesinin iki farklı sıcaklıkta (yani, biri N fazında, diğeri Tüberküloz fazında) bir günlük ölçeğinde anahtarlama eğrilerini gösterir. Anahtarlama sürelerinin ayrıntılı sıcaklık bağımlılığı Tablo 1'deözetlenmiştir.
Şekil 3a,b, 80 °C'de(Şekil 3a)50 mW/cm2 UV ışınlama altında hizasız bir numunede CB6OABU dokularını gösterir ve 60 °C 'ye(Şekil 3b)kadar soğutultuktan sonra . Şekil 3c'nin Foto-DSC eğrileri, soğuma üzerine trans ve cis-izomerlerinin I-N faz geçişlerinin farklı olduğunu göstermektedir. Foto-DSC karanlık ve ışık uyarılmış durumlar arasındaki farklılıkları tespit etmek için yararlı olsa da, bu fotoğraf-DSC genellikle zor farkların gerçek ısı akışını karşılaştırmak için yapar unutulmamalıdır, DSC temelberi eğriler, numunenin ışık emilimi ve DSC tavasının metal yüzeyi sayesinde önemli ölçüde değişir. Şekil 3d, ısıtma üzerine trans ve cis-izomerlerin kristal fazının erimesinin geleneksel DSC ile ölçüldüğü gibi farklı olduğunu göstermektedir. Şekil 3e,f, difansı yoğunluğunun XRD kırınım çizimlerini uv ışınlaması olmadan ve UV ışınlaması olmadan d aralığının bir fonksiyonu olarak gösterir. Uv ışığı ışınlandığında her tepedeki yoğunluğun büyük ölçüde değiştiği, esas olarak kristalyapısal dönüşüm ve yerel erimeye atfedildiği görülmektedir.
Şekil 1: CB6OABOBu'nun kimyasal yapısı ve soğutma dokularının evrimi. (a) CB6OABOBu'nun kimyasal yapısı ve faz sırası. (b) CB6OABOBu'nun uzay dolum moleküler modelleri modelleme programında MM2 forcefield tarafından optimize edilmiştir. (c) CB6OABOBu'nun POM dokuları, tek tip sürtünme düzlemsel hizalanmış 2 μm kalınlığında bir hücrede çapraz polarizatörlerin altında; UV aydınlatma olmadan soğutma sırasında. Üst: 140 °C'de N fazında; orta: 104 °C'de Tüberküloz fazında; alt: TB-Cry faz geçişinde. (d) 90 °C'deki POM dokuları fotoanahtarlama işlemini göstererek. Üst: UV önce; orta: 30 mW/cm'den kısa bir süre sonra N ve TB fazlarının birlikte liği365 nm'de 2 UV ışınlama; alt: UV aydınlatma kapattıktan sonra rahat TB doku. Ölçek çubukları 100 μm'yi temsil ediyor. Bu rakam Aya ve ark.26'nınizniyle uyarlanmıştır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2: CB6OABOBu'nun reolojik özelliklerinin fotoanahtarlamının reolojik özellikleri ve fotodinamiği. (a)Farklı UV ışınlarına sahip dönme modunda 13 Pa sabit bir kesme geriliminde ölçülen etkili kesme viskozitesinin sıcaklık bağımlılığı: 0 mW/cm2 (kırmızı daireler), 32,7 mW/cm2 (siyah daireler) ve 59,6 mW/cm2 (mavi elmaslar). (b)Seçilen sıcaklıklarda kesme gerilimini artırmanın bir fonksiyonu olarak etkili kesme viskozitesi. Siyah dolgulu daireler (100 °C) ve yeşil dolgulu elmaslar (102 °C) ilk tama da ölçülen veriler, siyah açık halkalar (100 °C) ve yeşil açık elmaslar (102 °C) ikinci talanda ölçülen verilerdir. (c) Etkili kesme viskozitesinin 59,6 mW/cm2 ışınlamada tekrarlanabilir fotoanahtarlama. Her sıcaklıktaki yüksek ve düşük değerler UV-OFF ve UV-ON durumlarına karşılık gelir. (d) TB fazında 97 °C'de, Cry fazında 90 °C'de kütük ölçeğinde gösterilen etkili kesme viskozitesinin fotoanahtarlamı. Tüberküloz fazı için mavi ve kırmızı düz çizgiler, UV-ON ve UV-OFF durumları üzerinde basit üstel fonksiyon kullanan en uygun eğrilerdir. UV yoğunluğu 59,6 mW/cm2'dir. Bu rakam Modifiye edilmiş ve Aya ve ark.26izni ile uyarlanmıştır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3: Cry aşamasında farklı kristal yapılara sahip mikro-ayrılmış etki alanlarının varlığının kanıtı. (a,b) POM dokuları mavi filtre ile 50 mW/cm altında2 UV ışınlama alanı iris diyafram şeklinde bir sekizgen noktada orta(a) 80 °C ve (b) 60 °C. (c) Uv olmadan (siyah nokta) ve UV (mavi nokta) altında 10 °C/dak oranında soğutma sırasında numunenin ısı akışının sıcaklık bağımlılıkları. (d) 2 °C/dk ve 10 °C/dk/dk hızlarda (sırasıyla siyah ve mavi eğriler) UV'siz ve 2 °C/dk (kırmızı eğri) cis açısından zengin numunenin ısıtma sırasında trans açısından zengin numunenin ısı akışının sıcaklık bağımlılıkları. (e,f) Gösterilen geniş açı X-ışını kırınım yoğunluğu d-aralık bağımlılığıdır. (f)Panelin küçük d değeri bölgesinin büyütülmüş görünümü e. Mavi kesikli, kırmızı katı ve siyah uzun kesikli çizgiler, sırasıyla 1 dakika ve 10 dakika boyunca 10 mW/cm'nin altında, UV aydınlatması olmayan X-ışını kırınım profillerini gösterir. Açık yukarı ve dolgulu aşağı doğru üçgenler artış ve her tepenin difüzif yoğunluğunda azalır gösterir. Bu rakam Modifiye edilmiş ve Aya ve ark.26izni ile uyarlanmıştır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Şekil 1'deortaya konan CB6OABOBu, soğutma üzerine I, N, TB ve Cry faz dizileri ile fotoğraf duyarlı bir malzemedir. Bu evrelerin lokal sıralanması önemli ölçüde farklılık gösterdiğinden, reolojik özelliklerin fotoğrafa dayalı geçişinin iyi viskoelastik kontrast göstermesi beklenmektedir. Bunu nicel olarak araştırmak için foto-reoloji ölçümleri yapıldı.
İlk olarak, karanlıkta ölçülen reolojik verileri göz önünde bulundururuz(Şekil 2a, kırmızı açık daireler). I-N faz geçişinde, etkili viskozite azalır (ηeff) bu da yama kaynaklı akış hizasına atfedilir. N fazında viskozite, newton sıvı davranışını gösteren kesme stresinden pratikte bağımsızdır (Şekil 2b). Tüberküloz fazına geçiş, etkili kesme viskozitesinin tek bir büyüklük sırasına göre artmasına neden olabilir. Tüberküloz fazının lokal nematik bir sıralamaya sahip olduğu ancak smektik sıralamaya benzer psödo-tabaka yapısı sergilediği göz önüne alındığında, etkin kesme viskozitesinin artması sözde tabaka yapılarının oluşumuna bağlanmıştır.
Tüberküloz fazında, sözde tabaka yapılarının yeniden düzenlenmesi sonucunda net eşik değerleri ile güçlü kesme inceltme gözlenir (Şekil 2b). Numunenin sonraki katılaşması, beş büyüklük sırası
ile ηeff (kesme gerilimi sabit tutulursa kesme gerilimi) keskin bir sıçrama ile sonuçlanır. Kesme viskozite verilerinin kristal fazdaki büyük saçılımı, numunenin dönen koniye uyguladığı büyük direncin bir sonucudur. Örnek, bu rejimde, viskozite ile karakterize bir sıvı yerine depolama modülü ile karakterize katı bir. 32,7 mW/cm2 ve 59,6 mW/cm2 UV yoğunlukları altında sonuçlar siyah dolgulu daireler ve mavi açık elmas olarak gösterilmiştir. Bu veriler le karanlıkta ölçülen veriler arasında üç ana fark gözlenir: 1) geçiş sıcaklıklarının düşmesi, 2) herfazda birazalma ve 3) orijinal N-TB geçişi arasında anlamlı bir viskozite değişimi UV ışığı altında Tüberküloz fazının kaybolması ile açıklanan ışıklı numuneler için sıcaklık.
Reolojik özelliklerinin farklı evrelerde gerçekten önemli ölçüde farklı olduğu açıktır. Fotoğraf tahrikli reolojik anahtarlamayı test etmek için numuneye UV ışığı parlayarak reolojik ölçümler yapıldı. Şekil 2c, fotoğraf tahrikli reolojik anahtarlamanın farklı sıcaklıklarda farklı kontrast değerlerine sahip olduğunu ortaya koymaktadır: I ve N evrelerinde yaklaşık 1, Tüberküloz fazında 10 ve Cry fazında 106. AVE ve KAPALI geçiş süreleri de hem TB hem de Cry aşamalarında çok kısadır (~100 s, AVEve KAPALI anahtarlama süreleri Tablo 1'de gösterilmiştir). Anahtarlama süresi, etkili viskozitenin orijinal değerinin %90'ından %10'una (UV ışınlamadan önce) değişiminin geçici süresi olarak tanımlanır. Farklı aşamalarda kontrast farklı olduğundan, anahtarlama süresi farklı aşamalar arasında adil bir şekilde karşılaştırılamaz. Bu diğer erimiş sıvılar için, ilk kristal faz genellikle birkaç saat içinde birkaç gün içinde kurtarır dikkati çekiyor, yüksek viskozite toplu geri reaksiyonu önler beri, yüksek sıcaklıklarda bile9,14.
Yavaş çekirdeklenmenin neden olmadığını belirlemek için POM gözlemi, foto-DSC ve XRD ölçümleri yapıldı. Şekil 3'teki POM görüntülerinin gösterdiği gibi, Cry fazında parlayan UV 80 °C'de (cis-state zengin) I fazında erimeyi tetikler. Sıcaklığı düşürürken UV ışınlama bakımı cis-state moleküllerinin kristalizasyonu trans-devlet daha farklı sıcaklıklarda meydana gelmesine neden olur. Bu trans ve cis-devletlerin bir mikroskopisi düşündürmektedir. Photo-DSC verileri bunun için doğrudan kanıt verir. Şekil 3c,d'nin gösterdiği gibi, UV ışığına maruz kalma, hem I-N (soğutma da) hem de kristal eritme (ısıtma) için faz geçiş zirvelerinin bölünmesiyle sonuçlanır. Bunlar trans ve cis-state moleküllerinin farklı faz yapıları oluşturduğunu doğrular. Şimdiye kadar, keşfedilen fotoğraf sıvılaşmalarının çoğu, kökenini cam geçişinin fotoğrafkaynaklı sıcaklık değişimine borçludur. Buna karşılık, bu çalışma bazı son keşifler 27 ,28dışında,hızlı fotoğraf sıvılaştırma süreçlerinin gerçekleştirilmesi nde yeni bir çalışma mekanizması göstermektedir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.
Acknowledgments
Bu çalışma HAS-JSPS ikili ortak araştırma projesi tarafından desteklendi. NKFIH PD 121019 ve FK 125134 hibelerden mali destek kabul edilmektedir.
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).
