एक तरल क्रिस्टल में ओरिएंटेशनल ट्रांजिशन इंटरफ़ेसिक गीला शीट्स के थर्मोडायनामिक ग्रोथ द्वारा ट्रिगर

Engineering

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Summary

यहां, हम तापमान के जवाब में एक लिक्विड क्रिस्टल के एक ओरिएंटल ट्रांजिशन को ट्रिगर करने के लिए प्रोटोकॉल पेश करते हैं। संक्रमण और विस्तृत संक्रमणकालीन विकास का पालन करने के लिए एक नमूना तैयार करने के लिए तरीके का वर्णन किया गया है।

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Aya, S., Araoka, F. Orientational Transition in a Liquid Crystal Triggered by the Thermodynamic Growth of Interfacial Wetting Sheets. J. Vis. Exp. (123), e55729, doi:10.3791/55729 (2017).

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Abstract

तरल क्रिस्टल (एलसी) भौतिक रसायन विज्ञान में, सतह के पास अणु बल्क ओरिएंटेशन को नियंत्रित करने में एक बड़ी भूमिका निभाते हैं। इस प्रकार अब तक, मुख्यतः एलसी डिस्प्ले में वांछित आणविक अभिविन्यास राज्यों को प्राप्त करने के लिए, एलसी की "स्थैतिक" सतह की संपत्ति, तथाकथित सतह एंकरिंग, का सख्ती से अध्ययन किया गया है। अंगूठे के नियम के रूप में, एक बार एलसी के प्रारंभिक अभिविन्यास विशिष्ट सतह उपचारों द्वारा "लॉक" होता है, जैसे कि रगड़ या एक विशिष्ट संरेखण परत के साथ उपचार, यह तापमान के साथ ही मुश्किल से बदलता है यहां, हम तापमान भिन्नता पर एक ओरिएंटिव ट्रांजिशन प्रदर्शित करने वाली एक प्रणाली को प्रस्तुत करते हैं, जो सर्वसम्मति से विरोध करते हैं। संक्रमण के ठीक पर, बड़े एलसी अणुओं को उच्चतर तापमान पर तनेदार (पी) अभिविन्यास के बीच 90 डिग्री के साथ ओरिएंटिव रोटेशन का अनुभव होता है और पहले क्रम में संक्रमणकालीन तरीके से कम तापमान पर ऊर्ध्वाधर (वी) अभिविन्यास होता है। हमने ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी के ध्रुवीकरण के माध्यम से थर्मोडायनेमिक सतह एंकरिंग व्यवहार को ट्रैक किया है (पीओम), ढांकता हुआ स्पेक्ट्रोस्कोपी (डीएस), उच्च-रिज़ोल्यूशन अंतर स्कैनिंग कैलोरीमेट्री (एचआर-डीएससी), और चराई की घटनाओं एक्स-रे विवर्तन (जीआई-एक्सआरडी) और एक प्रशंसनीय शारीरिक व्याख्या तक पहुंच गया: यह कि सतह की वृद्धि से संक्रमण शुरू हो गया है गीला शीट, जो स्थानीय रूप से पी अभिविन्यास के खिलाफ स्थानीय रूप से वी अभिविन्यास लगाते हैं। यह लैंडस्केप एक सामान्य लिंक प्रदान करता है जिसमें समझा जाता है कि कई एलसी सिस्टम में सतह-स्थानीयकृत अभिविन्यास से संतुलन बल्क ओरिएंटेशन कैसे प्रभावित होता है। हमारे लक्षण वर्णन में, एलओसी अणुओं के अभिविन्यास के स्थानिक वितरण पर जानकारी देने के द्वारा पीओएम और डी एस फायदेमंद होते हैं। एचआर-डीएससी संक्रमण के बारे में सटीक उष्मांकिक जानकारी के बारे में जानकारी देता है, जो सीमित संकल्प के कारण पारंपरिक डीएससी उपकरणों द्वारा संबोधित नहीं किया जा सकता है। जीआई-एक्सआरडी सतह-विशिष्ट आणविक अभिविन्यास और शॉर्ट-रेंज ऑर्डरिंग के बारे में जानकारी प्रदान करता है। इस पत्र का लक्ष्य ट्रांसमिशन प्रदर्शित करने वाला एक नमूना तैयार करने के लिए एक प्रोटोकॉल प्रस्तुत करना हैशीश और यह दर्शाते हैं कि उपरोक्त विधियों के माध्यम से बल्क और सतहों पर दोनों ही thermodynamic संरचनात्मक भिन्नता का विश्लेषण किया जा सकता है।

Introduction

हाल के वर्षों में, बाहरी उत्तेजनाओं के जवाब में गतिशील आणविक सुविधाओं और सतह के अणुओं के संरचना सीखने में रुचि बढ़ रही है एलसी राज्यों में सामग्रियों के थोक उन्मुखीकरण को प्रभावित कर सकता है। एक उदाहरण एलसी बायोसेंसर का एलसीएस 1 , 2 के एक नए आवेदन के रूप में उपयोग करना है। कितने लक्ष्य जैव-प्रजातियों का पता लगाया जाए, यह जानना महत्वपूर्ण है कि लक्ष्यीकरण अणुओं को बदलने और विकसित करने के साथ संपर्क करने वाले इंटरफेसी एलसीज़ कैसे पता लगाते हैं और कैसे वे अपने गुणों को थोक में स्थानांतरित / अनुवादित करते हैं।

इन उत्तरों को पूरा करने के लिए मॉडल का उपयोग करते हुए, हमने उन प्रणालियों के साथ शुरू किया, जिनमें उनकी सतह आणविक अभिविन्यास और थर्मोडायनामिक रूप से अलग-अलग शॉर्ट-रेंज ऑर्डरिंग होती है। ये सिस्टम हमें व्यवस्थित तरीके से परिणामी थोक अभिविन्यास के साथ सतह अभिविन्यास और ऑर्डरिंग में परिवर्तनों को सहसंबंधित करने की अनुमति देते हैं। हाल ही में, हमने कई एलसी सिस्टम पाया जो ओ का प्रदर्शनऋणात्मक संक्रमण, जहां तापमान के साथ एक सहज बल्क आणविक ओरिएंटेशन परिवर्तन होता है सिद्धांत रूप में, ओरिएंटल ट्रांज़िशन को अर्ध-सेकंड ऑर्डर 3 , 4 या अर्ध-प्रथम-क्रम संक्रमण 5 , 6 , 7 , 8 में वर्गीकृत किया जा सकता है। पूर्व में तापमान में परिवर्तन पर निरंतर बल्क आणविक पुनर्निर्धारण के साथ किया जाता है, जबकि बाद में एक असंतत एक दर्शाता है। इस लेख में, हम पी और वी ओरिएंटेशन स्टेट के बीच अर्ध-प्रथम-क्रम पद्धति में एक ओरिएंटिव संक्रमण का वर्णन करते हैं। यह तापमान को बदलकर एकल नीमेटिक (एन) चरण में आय करता है विवरण प्रतिनिधि परिणाम और चर्चा में प्रदान किया जाएगा।

चूंकि थोक में ओरिएंटल परिवर्तन सतह आणविक अभिविन्यास और लघु में बदलाव के द्वारा नियंत्रित किया जाना चाहिए-रेंज ऑर्डरिंग, यह स्पष्ट है कि यह प्रणाली संभावित रूप से अंतर्दृष्टि प्रदान कर सकती है कि कैसे सतह आणविक अभिविन्यास और शॉर्ट-रेंज ऑर्डरिंग में ऊष्मांकैनी भिन्नता बल्क ओरिएंटेशन को प्रभावित करती है। उपर्युक्त मुद्दों को समझने के लक्ष्य के साथ, इस अनुच्छेद में, हमने चार पूरक विधियों ( यानी, पीओएम, डीएस, एचआर-डीएससी, और जीआई-एक्सआरडी) का इस्तेमाल करते हुए तीन समस्याएं हल की हैं: (1) ओरिएंटेनिस्टल संक्रमण क्या दिखता है? (2) क्या ओरिएंटेशन ट्रांजिशन थर्मल डिटेक्टेबल है? (3) क्यों और कैसे ओरिएंटेशन संक्रमण होता है?

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Protocol

1. ग्लास सब्सट्रेट्स पर एक पेर्फ़्लोरोरोपोलिमर के तरल क्रिस्टल संरेखण परत की तैयारी

  1. पेफ्लुओरॉलीकपिमर समाधान की तैयारी
    1. 1: 2 के अनुपात में एक वाणिज्यिक विलायक में एक पेर्फ्लुओरोलोपोलिमर समाधान (9 वोल्ट% पॉलिमर) को भंग करके perfluoropolymer समाधान का 1 एमएल तैयार करें; इससे वर्दी फिल्मों को स्पिन-लेपित होने वाली 0.5-1 माइक्रोन मोटाई सुनिश्चित करता है।
      नोट: कृपया समाधान और सॉल्वेंट के लिए सामग्री की सूची देखें।
  2. साफ ग्लास substrates पर perfluoropolymer की कोटिंग
    1. एक क्षारीय डिटर्जेंट में 38 या 42 किलोहर्ट्ज़ पर बायोटेक्नोलॉजी द्वारा ग्लास सबस्ट्रेट्स (सामान्य आकार: 1 सेमी x 1 सेमी) धो लें। बार-बार डिस्टिल्ड वॉटर के साथ उन्हें कुल्ला आमतौर पर, 10 गुना से अधिक कुल्ला, हर बार 5 मिनट के सोनोजन के साथ।
    2. 10 मिनट के लिए यूवी-ओ 3 क्लीनर के लिए सबस्ट्रेट्स को विषय दें
    3. साफ काँच के आधार पर चरण 1.1 से समाधान के 20 μL को ड्रिप करेंट। तुरंत 3,500 आरपीएम और 70 एस के लिए कमरे के तापमान पर स्पिन-कोट समाधान। 80 डिग्री सेल्सियस पर 60 मिनट के लिए विलायक निकालने के लिए फिल्म को सेंकना और इलाज के लिए 60 मिनट के लिए 200 डिग्री सेल्सियस पर।

2. एलसी कोशिकाओं की तैयारी

  1. 365 एनएम (1.1 डब्लू / सेमी 2 ) की एक तरंग दैर्ध्य के साथ फोटो-रसीन का राल और एक एलईडी दीपक का उपयोग करके एक साथ फिल्म के साथ लेपित दो ग्लास substrates को गोंद करें। सुक्ष्ममापी आकार के कांच के कणों या पॉलीथिलीन नेफथलेट फिल्मों का उपयोग करके 2 substrates के बीच अंतर की मोटाई 2-100 सुक्ष्ममापी के भीतर समायोजित करें।
  2. एक एलसी सामग्री का परिचय, 4'-ब्युटिल -4-हेप्टील-बासीक्लोहेक्ज़िल -4-कार्बनटीयली (सीसीएन 47; 0.2-10 μL) 9 तैयार एलसी कोशिकाओं को कोशिका बल के नीचे एक स्पॉटुला का उपयोग करके एस्ट्रोटिक तरल (I) -निकेटिक (एन) चरण संक्रमण तापमान
    नोट: सीसीएन 47 में एक नकारात्मक ढांकता हुआ अनिसोट्रॉपी है, और चरण अनुक्रम रो है 298.6 कश्मीर एसएमए 301.3 के.एन. 331.3 केआई, जहां क्रिस्ट और एसएएमए क्रिस्टल और स्माटेक के लिए खड़े हैं। एन चरण या एसएमए चरण में सीसीएन 47 को लागू नहीं करें, क्योंकि प्रवाह-प्रेरित संरेखण को बढ़ावा दिया जाएगा।

3. नमूना विशेषता

  1. ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी (पोम) 10 को ध्रुवीकरण द्वारा बनावट अवलोकन
    1. ± 0.1-K सटीकता के साथ नमूना तापमान को नियंत्रित करने के लिए गर्म चरण के साथ 4-100X उद्देश्य लेंस के साथ एलओसी कोशिकाओं को POM के नीचे देखें। 5 फ्रेम से अधिक में बनावट दर्ज करें, केल्विन प्रति भी अंतराल पर 291-343 के रेंज में कूलिंग और हीटिंग पर क्रमिक रूप से एक डिजिटल रंग कैमरा का प्रयोग करें
  2. ढांकता हुआ स्पेक्ट्रोस्कोपी (डीएस) 11
    1. आईटीओ इलेक्ट्रोड के साथ एलसी कोशिकाओं को तैयार करें - जो एक वर्ग या परिपत्र आकृति रख सकते हैं और व्यावसायिक रूप से खरीदे जा सकते हैं - दोनों उपस्ट्रेट्स पर प्रत्येक सब्सट्रेट के लिए सीड तार मिलाएं।
      नोट: कृपया उपयोग किए गए उपस्ट्रेट्स के लिए सामग्री की सूची देखें।
    2. एलओसी कोशिकाओं के समाई या ढांकता हुआ स्थिरांक को मापें, ठीक उसी प्रकार POM के लिए इस्तेमाल किया जाता है, वाणिज्यिक प्रतिबाधा / लाभ-चरण विश्लेषक का उपयोग कर। यह सुनिश्चित करें कि प्रत्येक माप से पहले नमूनों की स्थिति समतल होती है। एलएसी कोशिकाओं की समाई को हर 5 मिनट में मैन्युअल रूप से मापकर समाई या समय-सीमा पर स्थिरता के समय-निर्भरता को मापें।
    3. डीएस माप को केवल तभी शुरू करें यदि एलसी कोशिकाओं का समाई या ढांकता हुआ निरंतर नॉन-टाइम-आश्रित होता है।
  3. उच्च-रिज़ॉल्यूशन अंतर स्कैनिंग कैलोरीमेट्री (एचआर-डीएससी) 12
    1. एलओसी कोशिकाओं को एक घर बनाया एचआर-डीएससी में जांचें, जो बिल्कुल पीओएम (डीएससी पैन का उपयोग करें) की तरह है। एचआर-डीएससी को डिज़ाइन और निर्माण करने के लिए संदर्भ 12 का संदर्भ लें और इसका इस्तेमाल कैसे करें। न्यूनतम तापमान को पावर को हल करने के लिए 0.05-0.10 के / मिनट की स्कैन दरों के साथ माप करेंएर।
  4. चराई की घटना एक्स-रे विवर्तन (जीआई-एक्सआरडी) 13
    1. जीआई-एक्सआरडी नमूना चरण पर एक लेपित सब्सट्रेट पर सीसीएन 47 के 2 से 5 μL छोटी बूंद के साथ एलसी सेल (पीओएम या डीएससी के लिए प्रयोग किया जाता है) या नमूना रखो, जिसे तापमान नियंत्रक से सुसज्जित किया जाना चाहिए।
    2. कूलिंग और हीटिंग पर दोनों, 291-343 कश्मीर की सीमा में इच्छित तापमान पर 10 से अधिक मिनट के लिए नमूना संतुलित करना।
    3. आणविक ओरिएंटेशन और ऑर्डरिंग / संरचनाओं पर सतह की जानकारी निकालने के लिए, नमूने पर एक्स-रे किरण का उपयोग करें, एक मिनट की घटना के कोण के साथ 0.05-0.10 डिग्री के आसपास। इष्टतम घटना कोण को खोजने के लिए एक्स-रे किरण की घटना के कोण को घुमाएं जिस पर विवर्तन की ताकत सबसे मजबूत होती है। इष्टतम घटना कोण पर माप लें
      नोट: ध्यान रखें कि जीआई-एक्सआरडी नैनोमीटर पैमाने पर अंतरजातीय विशेषताओं की जांच करना संभव बनाता है, इस प्रकार से पतली एल से संकेत अधिकतमएयरर्स ने थोक से संकेत को कम करते हुए ध्यान दें कि जीआई-एक्सआरडी के अलावा सामान्य एक्सआरडी ज्यामितीय, सतह-संवेदनशील तरीकों नहीं हैं, क्योंकि एक्स-रे विकिरण किरणों की सामग्रियों में बड़ी मात्रा में गहराई है।

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Representative Results

पीओएम छवियों, डीएस डेटा, एचआर-डीएससी डेटा और जीआई-एक्सआरडी पैटर्न तापमान भिन्नता के दौरान एकत्र किए गए थे, विशेष रूप से ठंडा और गर्म दोनों पर ओरिएंटल ट्रांज़िशन के आस-पास।

चित्रा 1 ठंडा (हीटिंग) के दौरान पी (वी) से वी (पी) ओरिएंटेबल स्टेट तक ओरिएंटल ट्रांज़िशन के पीओएम अवलोकन के दौरान पीओएम और डीएस माप द्वारा बनाए गए बनावट के विकास को दर्शाता है। पीओएम अवलोकन ( चित्रा 1 ए ) के आधार पर ओरिएंटेबल ट्रांजिशन के दौरान पुनर्रचना प्रक्रिया दिखाई गई है। ठंडा करने पर, थोक में पी अभिविन्यास इन संक्रमण तापमान के ठीक नीचे होता है, जो दो (बहुमत में) और चार ब्रश श्लेयरेन बनावट के रूप में अलग होता है। यह ध्यान देने योग्य है कि दो ब्रश श्लेयरेन (एस = ± 1/2 की एक topological ताकत के साथ खुलासे) resu में से एक हैएक लाइन दोष के साथ एलटीएन्ट संरचनाएं, जो शीर्षस्थानी सतह निर्देशक 14 में pretilt की अनुमति नहीं देता है। दूसरी ओर, चार ब्रश स्केलिएन (एस = ± 1 की एक टॉपोलल ताकत के साथ खुलासा) एक बिंदु विलक्षणता है, जो सतहों या बल्क में मौजूद हो सकते हैं। दो ब्रश श्लेयरेन के विपरीत, सतह निदेशक की एक प्राथमिकता सममिति तर्कों के अनुसार अनुमत है। तापमान को कम करके 321.5 के, अंधेरे डोमेन (वी ओरिएंटेशन) मुख्य रूप से ± 1 प्रकटीकरण की बिंदु विलक्षणता से और समय के साथ फैलता है। नमूने को कई मिनटों तक बढ़ाकर या और शीतलन के लिए अनुमति देकर, दृष्टि का पूरा क्षेत्र पूरी तरह से अंधेरा हो जाता है, जो कि पी से संक्रमण के पूरा होने के सुझाव को थोक में वी अभिविन्यास तक ले जाता है। हीटिंग पर, वी में ओर से ओरिएंटल ट्रांज़िशन को लेकर पी में ओर उन्मुखीकरण को ठंडा करने के लिए एक महत्वपूर्ण असमानता के साथ होता है: 5 के आसपास एक हिस्टैरिसीस, सुझावएक मजबूत प्रथम आदेश संक्रमण एनजी, पाया गया था ध्यान दें कि एलसी-एलसी संक्रमण ( जैसे, आईएनएन और एन-स्काक्टिक चरण संक्रमण) की विशिष्ट हिस्टैरिसीस सीमाएं 1 क्यू से कम हैं

चित्रा 2 एचआर-डीएससी द्वारा मापा गया तापमान ( चित्रा 2 ए ) और समय ( चित्रा 2 बी का आवरण) के रूप में नमूना के माध्यम से गर्मी प्रवाह का प्रतिनिधित्व करने वाले एचआर-डीएससी डेटा दिखाता है। ओरिएंटेशन ट्रांज़िशन ( चित्रा 2 बी ) के बाद चित्रा 2 बी के इनसेट में डेटा को एवरमी एक्सपोनेंट का विश्लेषण करने के लिए इस्तेमाल किया गया था।

चित्रा 3 विभिन्न तापमानों पर दो नमूना ज्यामितीय में जीआई-एक्सआरडी पैटर्न दिखाती है: छोटी बूंद ज्यामिति ( चित्रा 3 ए , शीर्ष) और सीटू एलसी सेल ज्यामिति ( चित्रा 3 ए </ मजबूत>, नीचे)। दोनों सतह के आसपास के क्षेत्र में गठन परत संरचनाओं (बाद में एसएसडब्लूएस के रूप में संक्षिप्त) के साथ, अर्ध-एसएमए गीला शीट्स के शॉर्ट-रेंज के क्रम को प्रदर्शित करते हैं। एसएसडब्ल्यूएस का आकार जीआई-एक्सआरडी चोटियों ( आकृति 3 बी ) के आधे से अधिक अधिकतम (एफडब्ल्यूएचएम) चौड़ाई से लिया गया था। एसएसडब्ल्यूएस सतह-विशिष्ट संरचना होना चाहिए, यह पुष्टि करते हुए दो महत्वपूर्ण टिप्पणियां हैं: (1) एससीए 47 के बड़े हिस्से में एसएमए ऑर्डरिंग अनुपस्थित है, जैसा कि एक्सआरडी द्वारा पुष्टि की गई है (यहां नहीं बताया गया है)। (2) एसएडी (परफ्लुओरोलोपोलिमर सतह के मुकाबले कमजोर और व्यापक) दोनों पर आइसोटोपिक विवर्तन पैटर्न, और वाड पर, पारंपरिक पी संरेखण परत सामग्री पर पुष्टि की गई थी, जिसमें प्रतिफ्लुओरोपॉलिमर और सीसीएन 47 के बीच विशेष आणविक बातचीत की पुष्टि की गई थी। चूंकि आणविक इंटरैक्शन पर बहस वर्तमान चर्चा के दायरे से परे है, इसलिए भविष्य में कहीं और इसकी सूचना दी जाएगी। हैरानी की बात है, यहां तक ​​कि पी ओरिएंटल स्टेट के तापमान रेंज में (जीआई देखें328 और 322 कश्मीर में एक्सआरडी पैटर्न), एसएसडब्ल्यूएस बनी रहती है, जो दर्शाती है कि सतह की ओर से प्रारम्भिक स्थिति निराश है। सतह के कुछ भाग एसएसडब्लूएस के ढेर के नीचे हैं, जो बड़े एलसी अणुओं के लिए वी संरेखण क्षमता का प्रदर्शन करते हैं, जबकि शेष पी संरेखण क्षमता प्रदर्शित करने के लिए सामने आते हैं। अगर एसएसडब्लूएस का आकार या कवरेज तापमान के साथ बदलता है, तो हम उम्मीद करते हैं कि थोक एलसी ओरिएंटेशन स्टेट भिन्न हो सकती है, क्योंकि वी संरेखण क्षमता का अनुपात पी संरेखण क्षमता के अनुसार बदलता है। इस संभावना की पुष्टि करने के लिए, एसएसडब्ल्यूएस सहसंबंध लंबाई का तापमान-निर्भरता ( यानी, सतह पर सामान्य दिशा में एसएमए शॉर्ट-रेंज ऑर्डर की औसत लगातार लंबाई) एसएडी चोटियों की एफडब्ल्यूएचएम से गणना की गई थी। चित्रा 3 बी एन चरण पर एसएसडब्ल्यूएस के संबंध लंबाई में वृद्धि के साथ-साथ एक अंतर्निहित हिस्टैरिसीस की उम्मीद की प्रवृत्ति की पुष्टि करता है। हिस्टैरिसीस का मतलब है कि एक बार एसएसडब्ल्यूएस का गठन वें स्थान पर होता हैई सतह को ठंडा करने पर, यह थर्मोडायनामिकी स्थिर है और उच्च तापमान पर भी टिकाऊ है। मुख्य विशेषता यह है कि हिस्टैरिसीस रेंज पोम और डीएस ( चित्रा 1 ) द्वारा पुष्टि की गई हिस्टैरिसीस श्रेणी के अनुरूप है। इससे पता चलता है कि एसएसडब्लूएस के विकास के माध्यम से ओरिएंटेबल ट्रांजिशन शुरू हो गया है।

आकृति 1
चित्रा 1: पी से वी ओरिएंटल स्टेट से ओरिएंटेबल ट्रांजिशन का विकास, दोनों को ठंडा और गर्म करने पर। ( ) शीतलन (नीली नीची तीर) और ( बी ) हीटिंग (लाल ऊपर की ओर तीर) पर बनावट की विविधता। ( ) शीर्ष: पी अभिविन्यास इन संक्रमण के ठीक नीचे दिखाई देता है। ( ) मध्य: टी सी पर ( यानी, ठंडा करने पर ओरिएंटल ट्रांज़िशन तापमान), वी अभिविन्यास बिंदु बिंदु से निकलता हैमुख्यतः चार ब्रश स्केलिरेन बनावट (लाल धराशायी मंडल) के टी ( ) नीचे: वी अभिविन्यास वाले डोमेन विस्तार और पूरे क्षेत्र के दृश्य को कवर करते हैं, जैसा कि एक कॉन्सोकोपिक छवि के रूप में होता है। ध्यान दें कि क्रूइफ़ॉर्म कोनोस्कोपिक छवि कम तापमान पर थोड़ा बदलाव दिखाती है। ( बी ) नीचे: टी एच ( यानी, ताप पर ओरिएंटल ट्रांजिशन तापमान), अंधेरे और उज्ज्वल श्लेयियर बनावट, वी ओरिएंटल डोमेन से अपनी उपस्थिति बनाते हैं, पी ओरिएंटेशन के साथ पतली और मोटी परतों के सह-अस्तित्व का सुझाव देते हैं। ( बी ) मध्य: डार्क डोमेन उज्ज्वल डोमेन में बदल जाते हैं। ( बी ) शीर्ष: दृश्य क्षेत्र के पूरे क्षेत्र के निदेशक पी अभिविन्यास है, जो पतली चार-ब्रश स्केलरियन बनावट का प्रदर्शन करता है। ( सी ) शीतलन (खुले हलकों) और हीटिंग (क्रॉस माउंस) दोनों पर मापा ढांकता हुआ निरंतर तापमान-निर्भरता नीली रेखा प्रयोगात्मक हैसीसीएन 47 के ढांकता हुआ स्थिरांक का आंकड़ा, एक होमोप्रोफिक एलसी सेल में मापा जाता है। यह आंकड़ा संशोधित और संदर्भ से अनुमति के साथ अनुकूलित किया गया है 15. कॉपीराइट 2012, द अमेरिकन फिजिकल सोसाइटी इस आंकड़े के एक बड़े संस्करण को देखने के लिए कृपया यहां क्लिक करें

चित्र 2
चित्रा 2: एचआर-डीएससी का उपयोग करके ओरिएंटल ट्रांजिशन का थर्मल ट्रेस। ( ) एचआर-डीएससी चार्ट, कूलिंग और हीटिंग दोनों के बाद प्रतिफ्लुओरॉलीकिमर के साथ लेपित सेल में। परिणामस्वरूप एक एलसी सेल को पारंपरिक प्लैर संरेखण परत सामग्री के साथ लेपित किया जाता है, एलए 1254, शीतलन के बाद भी एक नियंत्रण माप के रूप में दिखाया गया है। तीन एचआर-डीएससी चार्ट की बेसलाइन ठीक से स्थानांतरित कर दिए गए हैं। एक डबल-एरोड स्केल बार 1 एमडब्ल्यू / जी से मेल खाती है धराशायी लाइनें जोर देने के लिए तैयार की जाती हैंकि वी अभिविन्यास में ऊष्मा प्रवाह दोनों पी ओरिएंटेशन में से और पेफ्लोअरोपॉलिमर सतह के साथ सेल में I चरण में छोटा होता है। ( बी ) डोमेन के न्यूक्लेयेशन-ग्रोथ प्रोसेसिंग के लिए अव्रामी फिटिंग, शीतलन के बाद पी ओरिएंटेशन के साथ डोमेन से प्राप्त वी अभिविन्यास के साथ। समय के साथ गर्मी प्रवाह के भिन्नता को इनसेट में दिखाया गया है, जिसका उपयोग एवरमी फिटिंग के लिए किया गया था। यह आंकड़ा संशोधित और संदर्भ 7,8 से अनुमति के साथ अनुकूलित किया गया है। कॉपीराइट 2012, द अमेरिकन फिजिकल सोसाइटी, कॉपीराइट 2016, अमेरिकन केमिकल सोसाइटी इस आंकड़े के एक बड़े संस्करण को देखने के लिए कृपया यहां क्लिक करें

चित्र तीन
चित्रा 3: इंटरफेसियल एलसी संरचना के उष्मांक विविधता का विश्लेषण। ए ) जीई-एक्सआरडी पैटर्न में भिन्नता, प्रतिलिपोरोपरपॉलिमर सतह पर सीसीएन 47 की छोटी बूंद का उपयोग करके तापमान के संबंध में भिन्नता है और प्रति फ़्लायोरोपोलिमर सतह पर एक एलसी सेल। पी संरेखण परत सामग्री AL1254 के साथ एक सतह पर सीसीएन 47 छोटी बूंद का जीआई-एक्सआरडी पैटर्न एक संदर्भ के रूप में दिखाया गया है। ( बी ) चुंबकीय संबंध लंबाई की तापमान-निर्भरता, ξ , दोनों ठंडा और हीटिंग पर, पूरी चौड़ाई से जीआई-एक्सआरडी के आधे-अधिकतम छोर-कोण विवर्तन पैटर्न की गणना की जाती है। यह आंकड़ा संशोधित और संदर्भ 7 , 8 से अनुमति के साथ अनुकूलित किया गया है। कॉपीराइट 2012, द अमेरिकन फिजिकल सोसाइटी; कॉपीराइट 2016, अमेरिकन केमिकल सोसाइटी इस आंकड़े के एक बड़े संस्करण को देखने के लिए कृपया यहां क्लिक करें

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Discussion

5-माइक्रोन एलसी सेल ( आंकड़े 1 ए और बी ) का इस्तेमाल करते हुए 10x पोम की छवियों का स्पष्ट रूप से पता चलता है कि थोक एलसी अणुओं की ओरिएंटल स्टेट पी और वी ओरिएंटेशन के बीच पहले के क्रम में तापमान भिन्नता पर पार हो जाती है। यह डोमेन न्यूक्लियेशन और विकास प्रक्रियाओं द्वारा चिह्नित किया जाता है, प्रारंभिक अभिविन्यास से 90 डिग्री से भिन्न एक नई ओरिएंटेशन के साथ। कूलिंग और हीटिंग पर संक्रमण तापमान 321.5 कश्मीर और 325.3 कश्मीर है। चूंकि सीसीएन 47 का ~ 0.02 9 का एक बेरफ्रीनेंस है, श्लीरेन बनावट की दृश्यता अच्छा है जब एलसी कोशिकाओं की मोटाई 5-20 माइक्रोन की सीमा में होती है यदि मोटाई इस सीमा से छोटा है, तो श्लेयियर बनावट का संचरण कम हो जाता है, जिसके परिणामस्वरूप खराब दृश्यता दिखाई देती है। दूसरी तरफ, यदि मोटाई इस सीमा से अधिक है, तो पीओएम छवियों में विसंगतियों में हस्तक्षेप और प्रकाश परिणाम बिखरने, vi कम करनासब्सिटी और यहां तक ​​कि प्रभावी ऑप्टिकल संकल्प।

सामान्य सतह ( यानी ध्रुवीय कोण) के संबंध में एलसी के डायरेक्टर के झुकाव कोण की जांच के लिए मात्रात्मक रूप से 1 किलोहर्ट्ज़ (प्रवाहकीय आवृत्ति रेंज से दूर) की एक निश्चित आवृत्ति पर डी एस मापन को अनुरूप रूप से पूरा किया गया था तापमान के एक समारोह के रूप में POM ( चित्रा 1 सी )। चूंकि एलसी का ढांकता हुआ अनियोट्रोपोपी पहले से पी और वी संरेखण परतों के साथ कोशिकाओं का उपयोग करके तापमान के एक समारोह के रूप में मापा जाता है, वस्तुतः संक्रमण पर ढांकता हुआ permittivity (ℇ) में परिवर्तन ध्रुव में परिवर्तन के लिए अनुवाद किया जा सकता है थोक में एलसी के कोण चित्रा 1 सी में , शीतलन और हीटिंग दोनों पर the का पता लगाने से स्पष्ट रूप से पता चलता है कि पी (वी) से वी (पी) तक ओरिएंटल ट्रांज़िशन अकस्मात होती है, ट्रेस में बड़ी छलांग के साथ। यह ℇ में बड़े असंतोष से स्पष्ट है किओरिएंटेशन ट्रांजिशनल के पास पहले-ऑर्डर प्रकृति है, जो पीओएम द्वारा बनाए गए अवलोकन के अनुरूप है। भले ही डीएस माप औसतन एनीसोट्रोपिक सामग्री के ध्रुवीय कोण का आकलन करने के लिए पर्याप्त शक्तिशाली है, लेकिन इसमें गहराई का संकल्प नहीं है और इन-प्लेन अजीम ओरिएंटेशन पर कोई जानकारी नहीं दे सकती।

चित्रा 2 ए में , 25 माइक्रोन एलसी सेल में एचआर-डीएससी ट्रेस गर्मी प्रवाह में एक चरणबद्ध परिवर्तन की पुष्टि करता है, जो ~ 318 के (ठंडा ~ 328 के पर हीटिंग) पर ठंडा करने पर ओरिएंटीफिक ट्रांज़िशन पर पार करता है, जिस बिंदु पर बल्क ओरिएंटेशन स्टेट पी से वी राज्य में परिवर्तन साथ ही, ~ 332 के चरण में चरण में परिवर्तन और ~ 303 के.एन.ए. में बल्क एन-एसएमए चरण संक्रमण पर भारी तापमान में गर्मी का विसंगतियां 0.05-0.10 के.मी. से अधिक स्कैन दर अधिक खराब तापमान-समाधान करने वाली शक्ति और शोर गर्मी प्रवाह में और संतुलन के बाहर लक्ष्य नमूना लाएगा। ओरिएंटेनिस्टनल ट्रांजिशन पर गर्मी प्रवाह में अर्ध-चरण में परिवर्तन में संगत नहीं हैY मापन योग्य अव्यक्त गर्मी, जो अणुओं के बीच बांडों में संग्रहीत संभावित ऊर्जा का प्रतिनिधित्व करता है। यह सामान्य एलसी और क्रिस्टलीय चरण संक्रमण से भिन्न होता है जिसमें पर्याप्त अव्यक्त गर्मी शामिल होती है। इसका मतलब यह है कि प्रति यूनिट मात्रा, डी क्यू / डी टी डी वी में गर्मी प्रवाह दर सीधे विशिष्ट गर्मी क्षमता सी पी ( यानी डी क्यू / डी टी डी डी वी ~ सी पी ) के साथ जुड़ा हुआ है। इस परिणाम से थोक अणुओं ( एक्स ) के अंश को निर्धारित करना संभव है, जो पी से ओरिएंटल ट्रांज़िशन को पूरा कर लेते हैं। इसके बदले, यह कोलमिओगोरोव-जॉनसन-के माध्यम से ओरिएंटल ट्रांज़िशन के न्यूक्लियेशन और विकास प्रक्रियाओं की समझ प्रदान करता है। मेहल-अव्रामी, (केजेएमए या अव्रामी) विश्लेषण 16 , 17 , 18चित्रा 2b समीकरण के आधार पर Avrami फिटिंग प्रस्तुत करता है समीकरणएक्स , कश्मीर , टी , और एन नए डोमेन का वॉल्यूम अंश हैं, तापमान-आधारित Avrami गुणांक, समय, और Avrami exponent, क्रमशः )। एन की पुष्टि की गई थी ~ 2.6, एक विषम न्यूक्लेमेशन और बाद में 2 डी वृद्धि अंतरफैशन गीला प्रक्रियाओं का सुझाव। यह परिणाम सामान्य थोक एनएलसी में एसोट्रोपिक-नेमैटिक ट्रांजिशन (एन ≈ 3.6) के लिए अव्रामी एक्सपोनेंट के विपरीत काफी है (कृपया संदर्भ 8 में सहायक सूचना देखें)। ध्यान दें कि वर्तमान केजेएमए विश्लेषण संभवतः उत्कृष्ट तापमान-समाधान करने वाली शक्ति और हमारे एचआर-डीएससी में अच्छा संकेत-टू-शोर अनुपात दोनों के लिए संभव है। यह परंपरागत डीएससी उपकरणों से प्राप्त नहीं किया जा सकता है। चूंकि यह तकनीक गर्मी प्रवाह में छोटी भिन्नताओं के प्रति संवेदनशील है ( जैसे, नैनोफिलेमेंट्स की न्यूक्लियेशन / विकास प्रक्रियाएं भी 19 हैं ), इसमें छोटे चान को मापने की क्षमता हैसंरचनाओं और किसी भी सामग्री के चरणों में जीई (से) जैविक सामग्री से लेकर धातु तक। इसके अलावा, हम इस बात पर ज़ोर देते हैं कि नमूना ज्यामिति में इस तकनीक की कम सीमाएं हैं ( उदाहरण के लिए, एलसी कोशिकाओं को पारंपरिक डीएससी उपकरणों द्वारा मापा नहीं जा सकता)

नमूना के लिए जीई-एक्सआरडी प्रतिमान एक पेर्फ्लुओरापोलिमर सतह ( चित्रा 3 ए ) के साथ, दोनों एसएडी और वाड चोटियों की पुष्टि करते हैं, I चरण के 332 के अलावा अन्य तापमान पर डायरेक्टिविटी के साथ। पूर्व, जो एलसी अणुओं के लंबे अक्षों के साथ क्रम का प्रतिनिधित्व करता है, सतह के समानांतर चलता है। उत्तरार्द्ध, जो एलसी अणुओं के छोटे अक्षों के साथ ऑर्डरिंग का प्रतिनिधित्व करता है, पूर्व में लंबवत स्थितियों में स्थित होता है। एसएडी चोटियों की तीव्रता वाड चोटियों की तुलना में मजबूत है, और एसएडी चोटियों के एफडब्ल्यूएचएम भी वाड चोटियों की तुलना में संकरा है। विवर्तन चोटियों के एफडब्ल्यूएचएम चूंकि तिल के बीच स्थितीय संबंध की ताकत की डिग्री का सिद्धांत उपाय हैकुल्स, यह पता चला है कि एलसी अणुओं के लंबे अक्षों के साथ मजबूत स्थितीय संबंध, छोटे लोगों के बजाय, मौजूद हैं। यह सतह के आस-पास उपरोक्त SSWS के अस्तित्व को दर्शाता है जैसा कि चित्रा 3 बी से देखा गया है, कई आणविक लंबाई की गंधक सहसंबंध लंबाई नैनोमीटर पैमाने पर है। इस तरह की सूचना, मोज़ेकॉप्सिक पैमाने पर नैनोस्कोपिक में, इंटरफेसियल क्षेत्र में स्थानीयकृत सतह-संवेदनशील एक्सआरडी ज्यामिति, जैसे कि जीआई-एक्सआरडी में, परन्तु पारंपरिक ट्रांसमिशन और प्रतिबिंब वाले ज्यामितीय द्वारा नहीं निकाली जा सकती है। इसके अलावा, यदि जीआई- XRD की घटना का कोण बहुत बड़ा है (~> 0.1 डिग्री), तो कुल प्रतिबिंब की स्थिति टूट जाएगी और सतह-विशिष्ट संरचनाओं की अब जांच नहीं की जाएगी

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Disclosures

लेखकों के पास खुलासे के लिए कुछ भी नहीं है।

Acknowledgments

यह काम जेएसपीएस कंकनी अनुदान संख्या 16 एच 06037 द्वारा समर्थित था। एचआर-डीएससी के लिए तकनीकी सहायता के लिए हम हुकइदो विश्वविद्यालय में ईमानदारी से डॉ। युजी ससाकी का आभार व्यक्त करते हैं।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
CYTOP Asahi Glass Co. Ltd. CTX-809A
Solvent for CYTOP Asahi Glass Co. Ltd. CT-180 Sol.
Alkaline detergent Merck KGaA Extran MA01
NOA61 Norland Products, Inc. #37-322 Purchasable from Edmund Optics
AL1254 JSR Corporation Planar alignment material in self-made cells
4’-butyl-4-heptyl-bicyclohexyl-4-carbonitrile Nematel GmbH & Co. KG Custom-made
UV-O3 cleaner Technovision Inc. UV-208
Hot-stage system Mettler Toledo HS82
High-Definition Color Camera Head Nikon DS-Fi1
Impedance/gain-phase analyzer Solartron Analytical 1260
Indium Tin Oxide (ITO)-coated substrate GEOMATEC Co. Ltd. Custom-made

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References

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