Yöntem makalesi

Yüzey Islatma Levhalarının Termodinamik Büyümesi ile tetiklenen Sıvı Kristalde Oryantasyon Geçişi

DOI:

10.3791/55729

⸱

15 Mayıs 2017

 , 
1RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS)

Bu makalede

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Burada, sıcaklığa tepki olarak bir sıvı kristalin yönlendirici geçişini tetikleyen bir protokol sunuyoruz. Geçişi ve ayrıntılı geçiş evrimini izlemek için bir örnek hazırlamak için yöntemler anlatılmıştır.

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Sıvı kristal (LC) fizikokimyondaki yüzey yakınındaki moleküller, yığın yöneliminin kontrolünde büyük rol oynamaktadır. Şimdiye dek, esasen LC göstergelerinde istenen moleküler yönlendirme durumlarını elde etmek için, yüzey tutkallaması olarak adlandırılan LC'lerin "statik" yüzey özelliği yoğun bir şekilde incelenmiştir. Kural olarak, LC'lerin başlangıç ​​yönelimi sürtünme veya spesifik bir hizalama tabakası ile işleme gibi spesifik yüzey uygulamaları tarafından "kilitli" hale getirildiğinde, sıcaklık ile pek değişmez. Burada, fikir birliği ile çatışan, sıcaklık değişimi üzerine oryantasyonlu bir geçiş sergileyen bir sistem sunuyoruz. Geçişte, seri LC molekülleri, birinci derece geçiş tarzında düşük sıcaklıklarda yüksek sıcaklıklarda düzlemsel (P) yönlendirme ve dikey (V) yönlendirme arasında 90 ° lik oryantasyon dönüşümü yaşar. Termodinamik yüzey tutturma davranışını polarize optik mikroskopi ile izledik (POM), dielektrik spektroskopi (DS), yüksek çözünürlüklü diferansiyel tarama kalorimetresi (HR-DSC) ve otlatma insidansı X-ışını kırınımı (GI-XRD) ve makul bir fiziki açıklama getirdi: geçişin yüzeyin büyümesiyle tetiklendiğini Islak sayfalardır ve bu da V yönünü toplu olarak P yönüne karşı dayatır. Bu manzara, birçok LC sisteminde denge yığın yöneliminin yüzey lokalize yönlendirmeden nasıl etkilendiğini açıklayan genel bir bağlantı sağlayacaktır. Karakterizasyonumuzda, POM ve DS, LC moleküllerinin yöneliminin mekansal dağılımı hakkında bilgi sunarak avantajlıdır. HR-DSC, sınırlı çözünürlükten ötürü konvansiyonel DSC cihazları tarafından ele alınamayan geçişler hakkında kesin termodinamik bilgi hakkında bilgi verir. GI-XRD, yüzey spesifik moleküler oryantasyon ve kısa menzilli siparişler hakkında bilgi sağlar. Bu makalenin amacı transi sergileyen bir örnek hazırlamak için bir protokol sunmaktır.Hem dökme hem de yüzeydeki termodinamik yapısal değişimin yukarıda belirtilen yöntemlerle nasıl analiz edilebileceğini göstermek.

Giriş

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Son yıllarda, harici uyaranlara tepki olarak yüzey moleküllerinin dinamik moleküler özelliklerinin ve yapılarının, LC devletlerinde malzemelerin yığın yönelimini nasıl etkileyebileceğini öğrenmeye olan ilgi artmaktadır. Bir örnek LC 1 , 2'nin yeni bir uygulaması olarak LC biyosensörlerin kullanılmasıdır. Kaç tane hedef biyo-türün tespit edildiğini ölçmek için yapışkan hedef moleküllere temas eden arayüzey LC'lerin nasıl değiştiğini ve geliştiklerini bilmek önemlidir; aynı zamanda bunların özelliklerini toplu halde nasıl aktardıklarını / aktardıklarını tespit ederler.

Bu cevapları takip etmek için modeller kullanarak, yüzeyel moleküler yönelimi ve kısa menzilli siparişleri termodinamik olarak değişen sistemler ile başlattık. Bu sistemler, yüzey yönelimi ve sıralamadaki değişiklikleri, ortaya çıkan toplu yönlendirme ile sistematik bir şekilde ilişkilendirmemize izin verir. Son zamanlarda, çeşitli LC sistemleri oRientasyonel geçişler, burada spontan bir yığın moleküler oryantasyon sıcaklık ile değişir. Prensipte yönelim geçişleri, quasi-second-order 3 , 4 veya quasi-first-order transition 5 , 6 , 7 , 8 olarak kategorize edilebilir. Birincisi, sıcaklık değişiklikleri üzerine sürekli bir yığın moleküler yönelimi getirirken, ikincisi süreksiz olanı gösterir. Bu makalede, P ve V yönelim durumları arasındaki yarı birinci dereceden bir oryantasyon geçişini tanımlıyoruz. Sıcaklığı değiştirerek tekli Nematik (N) fazda ilerlemektedir. Detaylar Temsilcilik Sonuçlarında ve Tartışmada sağlanacaktır.

Kütlenin oryantal değişikliği, yüzey moleküler yöneliminde ve kısa bir değişiklikleBu sistemin, yüzey moleküler oryantasyonundaki termodinamik değişikliğin ve kısa menzilli sıralamaların toplu yönlendirmeyi nasıl etkilediği konusunda potansiyel olarak içgörüler sunabileceği açıktır. Bu makalede, yukarıda bahsedilen konuları anlamak amacıyla, dört tamamlayıcı yöntemi ( yani, POM, DS, İK-DSC ve GI-XRD) kullanarak üç problem üzerinde durduk: (1) Yönelimli geçiş nasıl görünüyor? (2) Yönlü geçiş, termal olarak saptanabilir mi? (3) Yönelimli geçiş neden ve nasıl meydana gelir?

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Bir Perfloropolimerin Sıvı Kristal Hizalama Katmanının Cam Yüzeylere Hazırlanması

  1. Perfloropolimer çözeltisinin hazırlanması
    1. Bir perfloropolimer çözeltisinin (ağırlıkça% 9 polimer) 1: 2 oranında bir ticari çözücüye eritilmesi ile 1 mL perfloropolimer çözeltisi hazırlanır; Bu 0.5-1 μm kalınlığındaki filmlerin spin kaplamalı olmasını sağlar.
      NOT: Kullanılan çözelti ve çözücü için Malzeme Listesi'ne bakın.
  2. Perfloropolimerin temiz cam yüzeylere kaplanması
    1. Alkali bir deterjanda 38 veya 42 kHz'de sonikasyon ile cam yüzeyleri (tipik boyut: 1 cm x 1 cm) yıkayın. Bunları damıtılmış su ile tekrar tekrar durulayın. Tipik olarak, her seferinde 5 dakika sonikasyon ile 10 kattan fazla durulayın.
    2. Substratları UV-O 3 temizleyicisine 10 dakika boyunca bekletin.
    3. Adım 1.1'deki çözeltiden 20 uL damla damla temizlenmiş cam substra üzerine damlatıntes. Çözeltiyi hemen 3,500 rpm'de ve oda sıcaklığında 70 saniye spin-kapla. Filmi, çözücüyü çıkarmak için 80 ° C'de 60 dakika pişirin ve sertleştirmek için 200 ° C'de 60 dakika pişirin.

2. LC Hücrelerinin Hazırlanması

  1. Fotoğrafla iyileştirilebilen bir reçine ve 365 nm dalga boyundaki (1.1 W / cm2) bir LED lamba kullanılarak film ile kaplanmış iki cam yüzey yapıştırın. Mikrometre boyutunda cam partikülleri veya polietilen naftalat filmler kullanarak, iki substrat arasındaki boşluğun kalınlığını 2-100 μm aralığında ayarlayın.
  2. Hazırlanan LC hücrelerine, izotropik sıvıdan (I) daha yüksek bir sıcaklıkta kılcal kuvvet altında bir spatula kullanılarak bir LC malzemesi 4'-butil-4-heptil-bisikloheksil-4-karbonitril (CCN47; 0.2-10 uL) Nematik (N) faz geçiş sıcaklığı.
    NOT: CCN47 negatif bir dielektrik anizotropisi vardır ve faz sırası Cry 298.6 K SmA 301.3 KN 33'tür1.3 KI, burada Cry ve SmA kristal ve smektik A safhalarıdır. CCN47'yi N fazında veya SmA fazında uygulamayın çünkü akışla indüklenen hizalama terfi edilebilir.

3. Örnek Karakterizasyonu

  1. Polarize optik mikroskopi (POM) ile doku gözlemi 10
    1. ± 0.1 K doğrulukla numune sıcaklığını kontrol etmek için bir sıcak kademe ile birlikte 4-100X objektif mercekleri olan POM altında LC hücrelerini izleyin. Dokuları, Kelvin başına eşit aralıklarla, 5 kareden fazla çerçevede kaydedin. Soğutma ve ısıtma işlemlerinde 291-343 K aralığında dijital renkli bir kamera kullanın.
  2. Dielektrik spektroskopi (DS) 11
    1. LC hücrelerini, ITO elektrotlarıyla hazırlayın - bunlar, kare veya dairesel şekle sahip olabilir ve ticari olarak satın alınabilir - her iki yüzey üzerinde de. Her bir alt tabakaya bir kurşun teli lehimleyin.
      NOT: Kullanılan alt katmanlar için Malzeme Listesi'ne bakın.
    2. Ticari bir impedans / kazanım fazı analizörü kullanarak, POM için olduğu gibi, LC hücrelerinin kapasitansını veya dielektrik sabitini ölçün. Numunelerin durumunun her ölçümden önce dengelenmesini sağlayın. LC hücrelerinin kapasitansını her 5 dakikada manuel olarak ölçerek kapasitansın veya LC hücrelerinin dielektrik sabitinin zaman bağımlılığını ölçün.
    3. DS ölçümünü ancak LC hücrelerinin kapasitans veya dielektrik sabitinin zamana bağlı olmadığı durumlarda başlatın.
  3. Yüksek çözünürlüklü diferansiyel tarama kalorimetresi (HR-DSC) 12
    1. LC hücrelerini tam olarak POM'da olduğu gibi incelenecek ev yapımı HR-DSC'ye yerleştirin ( asla DSC tava kullanmayın). Bir İK-DSC tasarlamak ve oluşturmak ve nasıl kullanılacağını öğrenmek için Referans 12'ye bakın. Minimum sıcaklık çözünürlüğünü arttırmak için 0.05-0.10 K / dak'lık tarama oranlarıyla ölçüm yapıner.
  4. Otlatma olayı X ışını kırınımı (GI-XRD) 13
    1. LC hücresini (POM veya DSC için kullanılır) veya 2-5 μL CCN47 damlacıklı bir örneği, bir sıcaklık kontrol cihazı ile donatılmış olan GI-XRD numune aşaması üzerindeki bir kaplamalı alt tabakaya koyun.
    2. Numuneyi hem soğutma hem de ısıtma üzerine 291-343 K aralığında istenen sıcaklıklarda 10 dk'dan fazla dengeye getirin.
    3. Moleküler yönlendirme ve düzen / yapılar hakkında yüzey bilgisini çıkarmak için, örnek üzerinde bir olaylı röntgen ışını kullanarak dakikada bir 0.05-0.10 ° lik bir olay açısı uygulayın. Kırılma mukavemetinin en güçlü olduğu en uygun yansıma açısını bulmak için X-ışını ışınının olay açısını döndürün. En uygun olay açısında ölçüm yapın.
      NOT: GI-XRD'nin, nanometre ölçeğinde arayüzey özelliklerini saptamayı mümkün kıldığını ve dolayısıyla ince l'den gelen sinyali maksimize ettiğini aklınızda bulundurunToplu gelen sinyali en aza indirirken ayerler. GI-XRD dışındaki normal XRD geometrileri, X-ışını radyasyon ışınının malzemelere nüfuz derinliğine sahip olduğundan yüzey duyarlı yöntem değildir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Sıcaklık değişimi sırasında, özellikle soğutma ve ısıtma üzerine, oryantasyon geçişinin yakın çevresinde POM görüntüleri, DS verileri, HR-DSC verileri ve GI-XRD paternleri toplandı.

Şekil 1 , soğutma (ısıtma) esnasında P (V) den V (P) yönelimli duruma oryantasyon geçişinin POM gözlemi sırasında POM ve DS ölçümleri tarafından yapılan dokunun gelişimini göstermektedir. POM gözlemine dayalı oryantasy...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

5 μm'lik bir LC hücresi ( Şekil 1a ve b ) kullanılarak alınan 10x POM görüntüleri, birinci derece biçimde sıcaklık değişimi üzerine, toplu LC moleküllerinin yönelimli durumunun P ve V yönleri arasında geçiş yaptığını açıkça göstermektedir. Bu, etki alanı çekirdeklenme ve büyüme süreçleri ile işaretlenir ve başlangıç ​​yönünden 90 ° farklı yeni bir yönlendirme bulunur. Soğutma ve ısıtma sırasındaki geçiş sıcaklıkları sırasıyla 321.5 K ve 325.3 K'dır. CCN47'nin ~ 0.02 9'...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.

Teşekkürler

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu çalışma, JSPS KAKENHI tarafından 16H06037 numaralı hibe tarafından desteklenmiştir. HR-DSC için teknik yardım için Hokkaido Üniversitesi'nden Dr. Yuji Sasaki'ye içtenlikle teşekkür ederiz.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
CYTOPAsahi Cam Co., Ltd.CTX-809A
ÇözücüCT-180 Sol.
Alkali deterjanMerck KGaAExtran MA01
NOA61Norland Products, Inc.# 37-322Edmund Optics
AL1254JSR Corporation'danKendi kendine yapılan hücrelerde düzlemsel hizalama malzemesi
4'-butil-4-heptil-bisikloheksil-4-karbonitrilNematel GmbH & Co. KGÖzel yapım
UV-O3 temizleyiciTechnovision Inc.UV-208
Sıcak sahne sistemiMettler ToledoHS82
Yüksek Çözünürlüklü Renkli Kamera KafasıNikonDS-Fi1
Empedans/kazanç fazı analizörüSolartron Analitik1260
İndiyum Kalay Oksit (ITO) kaplı alt tabakaGEOMATEC Co., Ltd.ısmarlama
CYTOP Asahi Glass Co., Ltd. için satın alınabilir

Kaynaklar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Woltman, S. J., Jay, G. D., Crawford, G. P. Liquid-Crystal Materials Find a New Order in Biomedical Applications. Nat. Mater. 6 (12), 929-938 (2007).
  2. Carlton, R. J., et al. Chemical and Biological Sensing Using Liquid Crystals. Liq. Cryst.Rev. 1 (1), 29-51 (2013).
  3. Patel, J. S., Yokoyama, H. Continuous Anchoring Transition in Liquid Crystals. Nature. 362, 525-527 (1993).
  4. Senyuk, B., et al. Surface alignment, anchoring transitions, optical properties, and topological defects in the nematic phase of thermotropic bent-core liquid crystal A131. Phys Rev E. 82 (4 Pt 1), 041711(2010).
  5. Bechhoefer, J., et al. Critical Behavior in Anchoring Transitions of Nematic Liquid Crystals. Phys. Rev. Lett. 64 (16), 1911-1914 (1990).
  6. Dhara, S., et al. Anchoring Transitions of Transversely Polar Liquid-Crystal Molecules on Perfluoropolymer Surfaces. Phys. Rev. E. 79 (6 Pt 1), 60701(2009).
  7. Aya, S., et al. Stepwise heat-capacity change at an orientation transition in liquid crystals. Phys. Rev. E. 86 (2), 022512(2014).
  8. Aya, S., et al. Thermodynamically Anchoring-Frustrated Surface to Trigger Bulk Discontinuous Orientational Transition. Langmuir. 32 (41), 10545-10550 (2016).
  9. Dhara, S., Madhusudana, N. V. Physical characterisation of 4'-butyl-4-heptyl-bicyclohexyl-4-carbonitrile. Phase Trans. 81 (6), 561-569 (2008).
  10. Dierking, I. Textures of Liquid Crystals. , Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Weinheim, FRG. (2003).
  11. Perkowski, P., et al. Technical aspects of dielectric spectroscopy measurements of liquid crystals. Opto-Electronics Review. 16 (3), 271-276 (2008).
  12. Inaba, H. Nano-watt stabilized DSC and ITS applications. J Therm Anal Calorim. 79 (3), 605-613 (2005).
  13. Leveiller, F., Boehm, C., Jacquemain, D. Two-dimensional crystal structure of cadmium arachidate studied by synchrotron X-ray diffraction and reflectivity. Langmuir. 10 (3), 819-829 (1994).
  14. de Gennes, P. G., Prost, J. The Physics of Liquid Crystals (Second Edition). , Oxford University Press. (1993).
  15. Aya, S., et al. Critical Behavior in an Electric-Field-Induced Anchoring Transition in a Liquid Crystal. Phys. Rev. E. 86 (1 Pt 1), 10701(2012).
  16. Avrami, M. Kinetics of Phase Change. I General Theory. J. Chem. Phys. 7, 1103-1112 (1939).
  17. Avrami, M. Kinetics of Phase Change. II Transformation-Time Relations for Random Distribution of Nuclei. J. Chem. Phys. 8 (2), 212-224 (1939).
  18. Avrami, M. Granulation Phase Change, and Microstructure Kinetics of Phase Change. III. J. Chem. Phys. 9, 177-184 (1941).
  19. Sasaki, Y., et al. Distinctive Thermal Behavior and Nanoscale Phase Separation in the Heterogeneous Liquid- Crystal B4 Matrix of Bent-Core Molecules. Phys. Rev. Lett. 107 (23), 237802(2011).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

Polarize I k MikroskobuDielektrik SpektroskopiY ksek z n rl kl Diferansiyel Taramal KalorimetriS A l X I n K r n mTermodinamik Y zey SabitlemeYar Smeatik A Islatma TabakalarPerfloropolimer zeltisiSpin Kaplama

İlgili makaleler