Oriëntatie Transitie In Een Vloeibaar Kristal Uitgelijnd Door De Thermodynamische Groei Van Interfacial Wetting Sheets

Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

Welcome!

Enter your email below to get your free 10 minute trial to JoVE!





We use/store this info to ensure you have proper access and that your account is secure. We may use this info to send you notifications about your account, your institutional access, and/or other related products. To learn more about our GDPR policies click here.

If you want more info regarding data storage, please contact gdpr@jove.com.

 

Summary

Hier presenteren wij een protocol om een ​​oriënterende overgang van een vloeibaar kristal te activeren in reactie op de temperatuur. Methodologieën worden beschreven voor het bereiden van een monster om de overgang en de gedetailleerde overgangsontwikkeling te observeren.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Bij vloeibaar kristal (LC) fysische chemie spelen moleculen in de buurt van het oppervlak een grote rol bij het beheersen van bulkoriëntatie. Tot nu toe is voornamelijk om de gewenste moleculaire oriëntatietoestanden in LC-displays te bereiken, de 'statische' oppervlakte-eigenschap van LC's, zogenaamde oppervlakverankering, intensief bestudeerd. Als een vuistregel, wanneer de initiële oriëntatie van LC's door specifieke oppervlakbehandelingen wordt vergrendeld, zoals wrijven of behandeling met een specifieke uitlijning, verandert het nauwelijks met temperatuur. Hier presenteren we een systeem dat een oriënterende overgang toont op temperatuurvariatie, die in strijd is met de consensus. Direct bij de overgang ervaren de bulk LC moleculen de oriënterende rotatie, 90 ° tussen de vlakke (P) oriëntatie bij hoge temperaturen en de verticale (V) oriëntatie bij lage temperaturen in de eerste-orde overgangsmaat. We hebben thermodynamische oppervlakteverankeringsgedrag bijgehouden door middel van polariserende optische microscopie (POM), dielektrische spectroscopie (DS), hoge resolutie differential scanning calorimetrie (HR-DSC) en weidingsröntgen diffractie (GI-XRD) en bereikte een geloofwaardige fysieke verklaring: dat de overgang wordt veroorzaakt door een groei van het oppervlak Bevochtigingsplaten, die de V-oriëntatie lokaal plaatsen tegen de P-oriëntatie in de massa. Dit landschap zou een algemene koppeling geven waarin wordt verklaard hoe de evenwichtskolomoriëntatie in veel LC-systemen beïnvloed wordt door oppervlakgelokaliseerde oriëntatie. In onze karakterisering zijn POM en DS voordelig door informatie te verstrekken over de ruimtelijke verdeling van de oriëntatie van LC-moleculen. HR-DSC geeft informatie over de precieze thermodynamische informatie over overgangen, die door beperkte resolutie niet door conventionele DSC-instrumenten kunnen worden aangepakt. GI-XRD geeft informatie over oppervlakspecifieke moleculaire oriëntatie en korte afstandsorders. Het doel van deze krant is een protocol voor te bereiden voor het opstellen van een monster die de transi vertoontEn demonstreert hoe de thermodynamische structurele variatie, zowel in de massa als op de oppervlakken, via de bovengenoemde methoden kan worden geanalyseerd.

Introduction

In de afgelopen jaren is er steeds belangrijker geworden om te leren hoe dynamische moleculaire eigenschappen en structuren van oppervlaktemoleculen als reactie op externe stimuli de bulkoriëntatie van materialen in LC-staten kunnen beïnvloeden. Een voorbeeld hiervan is het gebruik van LC biosensors als een nieuwe applicatie van LCs 1 , 2 . Om te kwantificeren hoeveel biobrandstoffen worden gedetecteerd, is het belangrijk om te weten hoe de interfaciale LC's die in aanraking komen met doelmoleculen veranderen en evolueren, terwijl ze ook detecteren en hoe ze hun eigenschappen overbrengen in de massa.

Door gebruik te maken van modellen om deze antwoorden na te streven begonnen we met systemen die hun moleculaire oriëntatie op het oppervlak hebben en kortlopende bestellingen die thermodynamisch variëren. Deze systemen stellen ons in staat om de veranderingen in de oppervlakterichting en -bestellingen met de resulterende massa-oriëntatie op een systematische manier te correleren. Onlangs hebben we verschillende LC-systemen gevonden die o tonenRationele overgangen, waarbij een spontane massa moleculaire oriëntatie verandert met temperatuur. In principe kunnen oriënterende overgangen worden ingedeeld in ofwel quasi-tweede-orde 3 , 4 of quasi-eerste-orde-overgang 5 , 6 , 7 , 8 . De eerstgenoemde wordt vergezeld van een continue bulkmoleculaire heroriëntatie bij veranderingen in temperatuur, terwijl de laatste een discontinue een toont. In dit artikel beschrijven we een oriënterende overgang op de quasi-eerste-orde manier tussen de P en de V oriënterende staten. Het gaat door in de enkele nematische (N) fase door de temperatuur te veranderen. Details zullen worden verstrekt in de representatieve resultaten en de discussie.

Aangezien de oriënterende verandering in het bulk moet worden geregeld door een verandering in de moleculaire oriëntatie van het oppervlak en kort-require orders, is het duidelijk dat dit systeem mogelijk inzicht kan geven in hoe de thermodynamische variatie in oppervlakmoleculaire oriëntatie en kortbereikbestellingen de bulkoriëntatie beïnvloedt. In dit artikel hebben we drie problemen aangepakt met behulp van vier complementaire methoden (POM, DS, HR-DSC en GI-XRD): (1) Hoe ziet de oriënterende overgang eruit? (2) Is de oriënterende overgang thermisch detecteerbaar? (3) Waarom en hoe gebeurt de oriënterende overgang?

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Bereiding van het vloeibaar kristal uitlijningslaag van een perfluorpolymeer op glazen substraten

  1. Bereiding van de perfluorpolymeeroplossing
    1. Bereid 1 ml van de perfluorpolymeeroplossing door een perfluopolymeeroplossing (9 gew.% Polymeer) op te lossen in een commercieel oplosmiddel in een verhouding van 1: 2; Dit zorgt ervoor dat uniforme films die 0,5-1 μm dik zijn, worden gedraaid.
      OPMERKING: Raadpleeg de materialenlijst voor de gebruikte oplossing en oplosmiddel.
  2. Coating van het perfluorpolymeer op schone glazen substraten
    1. Was de glazen substraten (typische afmeting: 1 cm x 1 cm) door sonicatie bij 38 of 42 kHz in een alkalisch wasmiddel. Spoel ze met gedistilleerd water af. Spoel meestal meer dan 10 keer, met 5 minuten sonication elke keer.
    2. Onderwerp de substraten gedurende 10 minuten aan UV-O 3 reiniger.
    3. Druppel 20 μL van de oplossing van stap 1.1 op de gereinigde glazen substrattes. Draai de oplossing onmiddellijk op 3.500 rpm en kamertemperatuur gedurende 70 s. Bak de film gedurende 80 minuten bij 80 ° C om het oplosmiddel te verwijderen en bij 60 ° C gedurende 60 minuten te genezen.

2. Bereiding van LC-cellen

  1. Lijm twee glazen substraten die met film zijn bekleed, samen met een fotohardbare hars en een LED-lamp met een golflengte van 365 nm (1,1 W / cm 2 ). Pas de dikte van de kloof tussen de twee substraten aan binnen het bereik van 2-100 μm door gebruik te maken van micrometer-grootte glasdeeltjes of polyethyleennaftalaatfilms.
  2. Introduceer een LC-materiaal, 4'-butyl-4-heptyl-bicyclohexyl-4-carbonitril (CCN47; 0,2-10 μl) 9 aan de bereide LC-cellen met behulp van een spatel onder capillair kracht bij een temperatuur hoger dan de isotrope vloeistof (I) -nematische (N) faseovergangstemperatuur.
    OPMERKING: CCN47 heeft een negatieve diëlektrische anisotropie, en de fase sequentie is Cry 298.6 K SmA 301.3 KN 331.3 KI, waar Cry en SmA staan ​​voor kristal en smectische A fases. Voer CCN47 niet in in de N-fase of SmA-fase, omdat door stroom geïnduceerde uitlijning wordt bevorderd.

3. Sample Karakterisatie

  1. Textuurwaarneming door polariserende optische microscopie (POM) 10
    1. Let op de LC-cellen onder POM met 4-100X objectieve lenzen in combinatie met een hete fase om de monster temperatuur te controleren met ± 0,1-K nauwkeurigheid. Noteer de texturen in meer dan 5 frames, met even intervallen per Kelvin. Gebruik een digitale kleurencamera opeenvolgend, zowel bij koeling als verwarming in het bereik van 291-343 K.
  2. Dielectrische spectroscopie (DS) 11
    1. Bereid LC-cellen, met ITO-elektroden - die een vierkante of ronde vorm hebben en commercieel kunnen kopen - op beide substraten. Soldeer een looddraad aan elk substraat.
      OPMERKING: Raadpleeg de materialenlijst voor de gebruikte substraten.
    2. Meet de capaciteit of diëlektrische constante van de LC-cellen, precies zoals gebruikt voor POM, met behulp van een commerciële impedantie / gain-fase analysator. Zorg ervoor dat de toestand van de monsters vóór elke meting wordt gecompenseerd. Meet de tijdsafhankelijkheid van de capaciteit of de diëlektrische constante van de LC-cellen door de capaciteit van de LC-cellen handmatig elke 5 minuten te meten.
    3. Start de DS-meting alleen als de capaciteit of diëlektrische constante van de LC-cellen niet tijdafhankelijk wordt.
  3. Hoge resolutie differentialscanning calorimetrie (HR-DSC) 12
    1. Zet de LC-cellen in een zelfgemaakte HR-DSC om te worden onderzocht, precies zoals in POM (gebruik nooit DSC pannen). Raadpleeg Referentie 12 om een ​​HR-DSC te ontwerpen en te bouwen en te leren hoe u het kunt gebruiken. Doe metingen met scansnelheden van 0,05-0,10 K / min om de minimale temperatuuroplossende pow te verbeterener.
  4. Grazing incident Röntgendiffractie (GI-XRD) 13
    1. Zet de LC-cel (gebruikt voor POM of DSC) of een monster met een 2 tot 5 μL druppel CCN47 op een gecoat substraat op de GI-XRD-monsterfase, die uitgerust moet zijn met een temperatuurregelaar.
    2. Equilibreer het monster gedurende meer dan 10 minuten bij gewenste temperaturen in het bereik van 291-343 K, zowel bij koeling als verwarming.
    3. Gebruik een voorlopige röntgenstraal op het monster, met een minuut invalshoek van ongeveer 0,05-0,10 °, om oppervlakinformatie over moleculaire oriëntatie en bestellingen / structuren te extraheren. Zwaai de invallingshoek van de röntgenbundel om de optimale invallingshoek te vinden waarbij de sterkte van de diffractie het sterkst is. Neem de metingen op de optimale invalshoek.
      OPMERKING: Houd er rekening mee dat GI-XRD het mogelijk maakt interfaciale eigenaardigheden op de nanometerschaal te detecteren, waardoor het signaal van dunne l wordt geoptimaliseerdAyers terwijl het signaal van het bulk wordt geminimaliseerd. Merk op dat normale XRD-geometrieën, behalve GI-XRD, geen oppervlakgevoelige methoden zijn, aangezien de röntgenstralingstraal een grote penetratiediepte in materialen heeft.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

POM beelden, DS data, HR-DSC data en GI-XRD patronen werden verzameld tijdens temperatuurvariatie, vooral in de omgeving van de oriënterende overgang bij zowel koeling als verwarming.

Figuur 1 geeft de evolutie weer van de textuur die is gemaakt door POM en DS metingen tijdens de POM observatie van de oriënterende overgang van de P (V) naar de V (P) oriëntatie toestand tijdens de koeling (verwarming). Het heroriëntatieproces tijdens de oriënterende overgang op basis van de POM-observatie ( Figuur 1a ) wordt getoond. Bij koeling is de P-oriëntatie in het bulk direct onder de IN-overgangstemperatuur, gemaakt door de verschijning van twee- (in de meerderheid) en vierborstel-Schlieren-texturen. Het is opmerkelijk dat de twee-borstel Schlieren (disclinatie met een topologische sterkte van s = ± 1/2) een van de resuLichte structuren met een lijn defect, die topologisch niet in de oppervlakte regisseur 14 toelaat. Aan de andere kant heeft de vierborstel Schlieren (disclinatie met een topologische sterkte van s = ± 1) een punt-singulariteit, die zowel op oppervlakken als in bulk kan bestaan. In tegenstelling tot twee-kwast Schlieren, is een pretiltje van de oppervlaktedirecteur toegestaan ​​volgens symmetrie-argumenten. Door de temperatuur tot 321,5 K te verlagen, kernen de donkere domeinen (de V-oriëntatie) hoofdzakelijk uit de point-singulariteiten van de ± 1-disclinatie en spreiden met de tijd. Door het monster gedurende enkele minuten te ontginnen of door verdere koeling mogelijk te maken, wordt het hele zichtveld helemaal donker, wat de voltooiing van de overgang van de P naar de V-oriëntatie in het groot voorstelt. Bij verwarming gebeurt de omgekeerde oriëntatieovergang van de V naar de P-oriëntatie in het bulk met een belangrijke verschil met die van koeling: een hysterese rond 5 K, suggestieNg een sterke eerste-orde overgang, werd gevonden. Merk op dat de typische hystereseversies van LC-LC-overgangen (bijvoorbeeld de IN en de N-Smectic-faseovergangen) minder dan 1 K zijn.

Figuur 2 toont HR-DSC data die de warmtestroom door het monster vertegenwoordigen als een functie van de temperatuur ( Figuur 2a ) en de tijd (het inzet van Figuur 2b ) gemeten door HR-DSC. De gegevens in het inzetstuk van Figuur 2b werden gebruikt om de Avrami-exponent na de oriënterende overgang te analyseren ( Figuur 2b ).

Figuur 3 toont GI-XRD patronen in twee monster geometrieën bij verschillende temperaturen: druppelgeometrie ( Figuur 3a , bovenkant) en in situ LC cel geometrie ( Figuur 3a </ Strong>, onder). Beiden tonen kortlopende ordening van kwasi-SmA bevochtigingsplaten, met laagstructuren (hierna afgekort als SSWS) gevormd in de omgeving van het oppervlak. De grootte van de SSWS werd berekend uit volle breedte bij half maximum (FWHM) van de GI-XRD pieken ( Figuur 3b ). Er zijn twee cruciale waarnemingen die bevestigen dat de SSWS de oppervlakte-specifieke structuur moet zijn: (1) SmA-bestelling is afwezig in het grootste deel van CCN47, zoals bevestigd door XRD (niet hier getoond). (2) Isotrope diffractiepatronen, zowel bij SAD (zwakker en bredere dan die in het perfluorpolymeeroppervlak) en bij WAD, werden bevestigd op een conventioneel P-aligniemateriaal, waarbij de speciale moleculaire interacties tussen het perfluorpolymeer en CCN47 bevestigd werden. Aangezien de argumenten over de moleculaire interacties verder gaan dan de huidige discussie, worden ze elders in de toekomst gerapporteerd. Verrassend, zelfs in het temperatuurbereik van de P-oriëntatietoestand (zie GI-XRD patronen bij 328 en 322 K), SSWS blijft bestaan, wat aangeeft dat de oriënterende toestand van het oppervlak gefrustreerd is. Sommige delen van het oppervlak zijn onder de mantel van SSWS, die de V-uitlijning voor de bulk LC moleculen vertonen, terwijl de rest blootgesteld zijn aan de P-uitlijning. Als de grootte of de dekking van SSWS met temperatuur verandert, verwachten we dat de LC oriëntatietoestand groot kan worden, aangezien de verhouding van de V-uitlijning tot de P-uitlijning mogelijk is. Om deze mogelijkheid te bevestigen, werd de temperatuurafhankelijkheid van de SSWS-correlatielengte ( dwz de gemiddelde aanhoudende lengte van de SmA-kortreeksorde in de richting normaal naar het oppervlak) berekend uit de FWHM van de SAD-pieken. Figuur 3b bevestigt de verwachte trend, die een toename toont in de SSWS correlatielengte over de N-fase, evenals een onderliggende hysterese. De hysterese betekent dat zodra de SSWS op th is gevormdHet oppervlak is bij koeling, het is thermodynamisch stabiel en is duurzaam, zelfs bij hoge temperaturen. Het belangrijkste kenmerk is dat het hysterese bereik consistent is met het hysterese bereik dat wordt bevestigd door POM en DS ( Figuur 1 ). Dit suggereert dat de oriënterende overgang wordt veroorzaakt door de groei van SSWS.

Figuur 1
Figuur 1: Evolutie van de oriënterende overgang van de P naar V oriëntatietoestand, zowel bij koeling als bij verwarming. Textuurvariatie op ( a ) koeling (blauwe pijl naar beneden) en ( b ) verwarming (rode pijltjes naar boven). (A) Boven: De P-oriëntatie verschijnt net onder de IN-overgang. (A) Midden: Bij T C ( dwz oriëntatie-overgangstemperatuur bij koeling) komt de V-oriëntatie uit het puntdefecT van de overwegend vierborstel Schlieren-structuur (rode streepjescirkels). (A) Bottom: De domeinen met de V-oriëntatie verbreden en bedekken het hele gezichtsveld, zoals aangevuld met een inset van een conoscopische afbeelding. Merk op dat het kruisvormige conoscopische beeld weinig verandering toont bij lage temperaturen. ( B ) Bottom: Bij T H ( dwz oriëntatie-overgangstemperatuur bij verwarming) verschijnen de donkere en heldere Schlieren-texturen uit het V-oriëntatiedomein, wat de coëxistentie van dunne en dikke lagen met de P-oriëntatie voorstelt. ( B ) Midden: Donkere domeinen omzetten naar lichte domeinen. ( B ) Bovenkant: De regisseur over het gehele veldveld is de P-oriëntatie, die een dunne vierborstel Schlieren-textuur vertoont. ( C ) De temperatuurafhankelijkheid van de diëlektrische constante, gemeten op zowel koeling (open cirkels) als verwarming (kruispunten). De blauwe lijn is de experimenteleGegevens van de diëlektrische constante van CCN47, gemeten in een homeotrope LC cel. Dit cijfer is aangepast en aangepast met toestemming van Referentie 15. Copyright 2012, The American Physical Society. Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 2
Figuur 2: Thermisch spoor van de oriënterende overgang met behulp van de HR-DSC. (A) HR-DSC-grafieken in een cel die na het koelen en verwarmen met het perfluorpolymeer is bedekt. Het resultaat in een LC cel die is bekleed met een conventioneel vlakke uitlijninglaagmateriaal, AL1254, na afkoeling wordt ook getoond als een controlemeting. De basislijnen van drie HR-DSC-grafieken worden goed verplaatst. Een dubbelpijlige schaalbalk komt overeen met 1 mW / g. Stippellijnen worden getekend om te benadrukkenDat de warmtestroom in de V-oriëntatie kleiner is dan die in zowel de P-oriëntatie als in de I-fase in de cel met het perfluorpolymeeroppervlak. ( B ) Avrami geschikt voor het nucleatiegroei van domeinen, waarbij de V-oriëntatie voortkomt uit domeinen met de P-oriëntatie na afkoeling. De variatie van de warmtestroom met de tijd wordt getoond in de inzet, die werd gebruikt voor de Avrami montage. Dit cijfer is aangepast en aangepast met toestemming van referenties 7,8 . Copyright 2012, The American Physical Society, Copyright 2016, American Chemical Society. Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 3
Figuur 3: Analyse van de thermodynamische variatie van de interfaciale LC structuur. a ) De variatie in het GI-XRD patroon met betrekking tot temperatuur met behulp van een CCN47 druppel op het perfluorpolymeeroppervlak en een LC cel op het perfluorpolymeeroppervlak. Het GI-XRD patroon van de CCN47 druppel op een oppervlak met de P-alignment laag materiaal AL1254 wordt weergegeven als een referentie. ( B ) Temperatuurafhankelijkheid van de smectische correlatielengte, ξ, bij zowel koeling als verwarming, berekend uit de volle breedte bij half maximum van het hoekhoekdiffractiepatroon van GI-XRD. Dit cijfer is aangepast en aangepast met toestemming van referenties 7 , 8 . Copyright 2012, The American Physical Society; Copyright 2016, American Chemical Society. Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

De 10x POM beelden die zijn genomen met behulp van een 5 μm LC cel ( Figuren 1a en b ) tonen duidelijk aan dat de oriëntatietoestand van de bulk LC moleculen tussen de P en de V-oriëntaties over de temperatuurvariatie in de eerste orde verloopt. Dit wordt gekenmerkt door de domeincernatie- en groeiprocessen, waarbij een nieuwe oriëntatie verschilt van de initiële oriëntatie met 90 °. De overgangstemperaturen bij koeling en verwarming zijn respectievelijk 321,5 K en 325,3 K. Aangezien CCN47 een dubbelzijdigheid van ~ 0,02 9 heeft , is de zichtbaarheid van de Schlieren-structuur goed als de dikte van de LC-cellen in het bereik van 5-20 μm ligt. Als de dikte kleiner is dan dit bereik, wordt de transmissie van de Schlieren-textuur lager, wat slechter zicht oplevert. Aan de andere kant, als de dikte groter is dan dit bereik, leidt interferentie en verstrooiing van licht tot aberraties in de POM-afbeeldingen, waardoor de viSibiliteit en zelfs de effectieve optische resolutie.

Om de kantelhoek van de LC-regisseur kwantitatief te onderzoeken ten opzichte van het normale oppervlak ( dwz de polaire hoek) in de massa, werden DS-metingen met een vaste frequentie van 1 kHz (ver weg van het geleidende frequentiebereik) gelijktijdig uitgevoerd met POM als functie van temperatuur ( figuur 1c ). Aangezien de diëlektrische anisotropie van het gebruikte LC vooraf wordt gemeten als een functie van temperatuur door cellen met zowel P- als V-uitlijningslagen te gebruiken, kan de verandering in de diëlektrische permittiviteit (ℇ) op de oriëntatie-overgang vertaald worden naar de verandering in de polaire Hoek van de LC's in het bulk. In figuur 1c tonen het spoor van ℇ bij zowel koeling als verwarming expliciet aan dat de oriënterende overgang van de P (V) naar de V (P) plotseling voorkomt, met een grote sprong in het spoor. Uit de grote discontinuïteit blijkt dat ℇ deOriënterende overgang heeft een eerste orde aard, in overeenstemming met de opmerking van POM. Hoewel DS-meting sterk genoeg is om de polaire hoek van anisotropische materialen gemiddeld te schatten, ontbreekt het de diepteoplossing en kan er geen informatie worden gegeven over de azimutale oriëntatie in het vliegtuig.

In figuur 2a bevestigt het HR-DSC spoor in een 25 μm LC cel een stapsgewijze verandering in de warmtestroom, kruising bij de oriënterende overgang bij koeling bij ~ 318 K (verwarmen bij ~ 328 K), op welk punt de grote oriëntatietoestand Verandert van de P naar de V-toestand. Ook komt de warmte af bij de bulk IN fase overgang bij ~ 332 K en bij de bulk N-SmA fase overgang bij ~ 303 K. Een scansnelheid hoger dan 0,05-0,10 K / min zou leiden tot slechter temperatuuroplossende kracht en geluid In de warmtestroom en zou het doelmonster uit evenwicht brengen. De quasi-stapsgewijze verandering in de warmtestroom op de oriënterende overgang begint nietY meetbare latente warmte, die de potentiële energie die in de bindingen tussen de moleculen wordt opgeslagen, vertegenwoordigt. Dit is anders dan de normale LC- en kristallijne faseovergangen die een substantiële latente warmte inhouden. Dit betekent dat de warmtestroom per volume per eenheid, d Q / d t d V , direct verband houdt met de specifieke warmtecapaciteit C p ( dwz d Q / d t d V ~ C p ). Dit gevolg maakt het mogelijk om de fractie van de bulkmoleculen ( X ) te bepalen die de oriëntatie-overgang van P naar de V heeft afgerond. Dit biedt op zich een begrip van de nucleatie- en groeiprocessen van de oriënterende overgang door Kolmogorov-Johnson- Mehl-Avrami, (KJMA of Avrami) analyse 16 , 17 , 18 . Figuur 2b presenteert de Avrami montage op basis van de vergelijking VergelijkingX , K , t en n de volume-fractie van de nieuwe domeinen, de temperatuurafhankelijke Avrami-coëfficiënt, de tijd en de Avrami-exponent ). N werd bevestigd te zijn ~ 2,6, wat een heterogene nucleatie en daaropvolgende 2D groei interfaciale bevochtigingsprocessen suggereert. Dit resultaat komt in schril contrast met de Avrami-exponent voor de isotropische-nematische overgang (n ≈ 3.6) in gebruikelijke bulk NLC's (zie de ondersteunende informatie in Referentie 8). Merk op dat de huidige KJMA analyse mogelijk is dankzij zowel de uitstekende temperatuuroplossende kracht als de goede signaal-ruisverhouding in onze HR-DSC. Dit kan niet worden bereikt door conventionele DSC-instrumenten. Aangezien deze techniek gevoelig is voor kleine variaties in de warmtestroom ( bijv. Zelfs de nucleatie / groeiprocessen van nanofilamenten zijn detecteerbaar 19 ), het heeft de mogelijkheid om kleine chan te metenGesubsidieerd in de structuren en fasen van elk materiaal, variërend van (in) organische materialen tot metalen. Daarnaast benadrukken wij dat deze techniek minder beperkingen heeft in steekproefgeometrie (bijvoorbeeld de LC-cellen die niet kunnen worden gemeten met conventionele DSC-instrumenten).

De GI-XRD patronen voor de monsters met een perfluopolymeer oppervlak ( Figuur 3a ) bevestigen zowel de SAD en WAD pieken, met directiviteit bij andere temperaturen dan 332 K van de I fase. De voormalige, die de bestellingen langs de lange assen van LC-moleculen vertegenwoordigt, loopt parallel aan het oppervlak. De laatste, die de bestellingen langs de korte assen van LC moleculen vertegenwoordigt, ligt in posities loodrecht op de vroegere. De intensiteit van SAD pieken is sterker dan die van WAD pieken, en de FWHM van SAD pieken is ook smaller dan die van WAD pieken. Aangezien de FWHM van diffractie pieken de principale maatregel is van de mate van sterkte van de positie correlatie tussen molCules, blijkt dat sterker positional correlatie langs de lange assen van LC moleculen, in plaats van langs de korte, aanwezig is. Dit toont het bestaan ​​van bovengenoemde SSWS in de omgeving van het oppervlak. Zoals blijkt uit figuur 3b is de smectische correlatie lengte van verscheidene moleculaire lengten in de nanometer schaal. Dergelijke informatie, in de nanoscopische tot mesoscopische schaal, gelokaliseerd in het interfaciale gebied kan alleen worden geëxtraheerd door oppervlakgevoelige XRD-geometrie, zoals in GI-XRD, maar niet door conventionele transmissie- en reflectie-geometrieën. Ook, als de invallingshoek van GI-XRD te groot is (~> 0,1 °), wordt de totale reflectieconditie afgebroken en kunnen de oppervlakspecifieke structuren niet meer worden onderzocht.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

Dit werk werd ondersteund door JSPS KAKENHI subsidie ​​nummer 16H06037. Wij bedanken de heer Yuji Sasaki in de Hokkaido University voor technische hulp voor HR-DSC.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics