Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliğiniz gereklidir. Giriş yapın veya ücretsiz denemenizi bugün başlatın.

Yöntem makalesi

Twist-Bend Nematic Sıvı Kristalin Yüksek Kontrastlı ve Hızlı Fotoromatolojik Geçişi

5.9K görüntüleme

DOI:

10.3791/60433

31 Ekim 2019

Bu makalede

Özet

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.

Özet

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.

Giriş

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.

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

Protokol

1. LC moleküllerinin düzlemsel olarak hizalanması için ovuşturulmuş yüzeylerin hazırlanması

  1. Temiz cam yüzeyler hazırlayın.
    1. 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).
    2. Substratları 10 dakikadan fazla ultraviyole-ozon (UV-O3) temizleyici(Malzeme Tablosu)iletin.
  2. Temiz cam yüzeylerüzerine düzlemsel hizalama katmanını katlayın.
    1. 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.
    2. 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.

2. LC hücrelerinin hazırlanması

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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

  1. 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.
  2. POM üzerinde 365 nm (50 mW/cm2)dalga boyu ile donatılmış bir UV epi-illuminator(Malzeme Tablosu)kullanın.

4. Fotoromatolojik ölçümler

  1. Reolojik ölçümleri hazırlayın.
    1. 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.
    2. 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.
  2. Romatolojik ölçümler yapın.
    1. 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.
    2. 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.

5. Foto-diferansiyel tarama kalorimetre

  1. 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.
  2. 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

  1. Toz CB6OABOBu numunesini 170 °C'deki sıcak evreyi kullanarak ısıtın ve numuneyi kapiller kuvvetle XRD kılcal damarına (çap = 0,5 mm) emin.
  2. 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.
  3. 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.

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

Sonuçlar

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...

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

Tartışma

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 2

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

Açıklamalar

Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.

Teşekkürler

Bu çalışma HAS-JSPS ikili ortak araştırma projesi tarafından desteklendi. NKFIH PD 121019 ve FK 125134 hibelerden mali destek kabul edilmektedir.

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

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
21-401-10AS ONE Microspatula
AL1254JSRSıvı kristaller için düzlemsel hizalama maddesi
BX53POlympusİletim/epi-aydınlatma üniteli polarizasyon mikroskobu
Discovery DSC 25PTI cihazlarıPhoto-DSC ekipmanı
Cam kesici PRO-1ASankyoA elmas bazlı cam kesici
HS82Mettler Toledosıcak sahne
MCR502Anton PaarA ticari reometre
MRJ-100SEHCSürtünme makinesi
Norland Optik Yapıştırıcı 65, 81Norland ÜrünlerFotoreaktif yapışmalar
OmniCure S2000Excelitas TeknolojileriTicari yüksek basınçlı cıva buharlı kısa ark lambası. Maksimum 70 mW/cm^2.
PILATUS 6MDectrisX-ışını kırınım tespiti için hibrit foton sayma dedektörü
S1126Matsunami Camalt tabaka
SC-158HEHCSpin kaplayıcı
SCAT-20XDKSAlkali deterjan
SLUV-4AS ONEDüşük basınçlı cıva buharlı kısa ark lambası
UV-208TechnovisionUltraviyole-ozon (UV-O3) temizleyici

Kaynaklar

  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).

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

Yeniden basım ve izinler

Etiketler

Polarize I k MikroskopisiFotoreometriFoto Diferansiyel Taramal KalorimetriX n DifraksiyonuUV I nlamasViskoelastik zelliklerKapiler Dolum