Cambio fotorreológico rápido y de alto contraste de un cristal líquido nemático Twist-Bend
Summary
Este protocolo demuestra la preparación de un material fotorreológico que exhibe una fase sólida, varias fases cristalinas líquidas y una fase líquida isotrópica mediante el aumento de la temperatura. Aquí se presentan los métodos para medir la relación estructura-viscoelasticidad del material.
Abstract
Los materiales viscoelásticos inteligentes que responden a estímulos específicos son una de las clases más atractivas de materiales importantes para las tecnologías futuras, como las tecnologías de adhesión conmutables bajo demanda, actuadores, embragues moleculares y masa nanomicroscópica Transportadores. Recientemente se descubrió que a través de una transición especial sólido-líquido, las propiedades reológicas pueden presentar cambios significativos, proporcionando así materiales viscoelásticos inteligentes adecuados. Sin embargo, el diseño de materiales con una propiedad de este tipo es complejo, y los tiempos de conmutación hacia adelante y hacia atrás suelen ser largos. Por lo tanto, es importante explorar nuevos mecanismos de trabajo para realizar transiciones sólido-líquido, acortar el tiempo de conmutación y mejorar el contraste de las propiedades reológicas durante el cambio. Aquí, se observa una transición de fase cristalino-líquida inducida por la luz, que se caracteriza por el medio de la microscopía de luz polarizadora (POM), fotorheometría, calorimetría de escaneo fotodiferencial (foto-DSC) y difracción de rayos X (RDX). La transición de fase cristalino-líquido inducida por la luz presenta características clave como (1) conmutación rápida de fases cristalino-líquida para reacciones hacia adelante y hacia atrás y (2) una alta relación de contraste de viscoelasticidad. En la caracterización, POM es ventajoso al ofrecer información sobre la distribución espacial de las orientaciones de moléculas LC, determinar el tipo de fases cristalinas líquidas que aparecen en el material, y estudiar la orientación de LC. permite la medición de las propiedades reológicas de un material bajo estímulos ligeros y puede revelar las propiedades fotorreológicas de conmutación de los materiales. Photo-DSC es una técnica para investigar la información termodinámica de los materiales en la oscuridad y bajo irradiación de luz. Por último, XRD permite el estudio de estructuras microscópicas de materiales. El objetivo de este artículo es presentar claramente cómo preparar y medir las propiedades discutidas de un material fotorreológico.
Introduction
Los materiales mecánicos inteligentes con la capacidad de cambiar sus propiedades viscoelásticas en respuesta a la variación ambiental han generado un enorme interés entre los investigadores. La conmutación se considera el factor material más importante, que ofrece robustez de la respuesta mecánica repetitiva en organismos vivos. Hasta la fecha, los materiales conmutables artificiales con funciones versátiles se han diseñado utilizando materia blanda (es decir, hidrogeles fotorendientes1,2,3, polímeros4,5, 6,7,8,9,10,11, cristales líquidos [LCs]9,10,11, 12,13,14,15,16,17, micelas sensibles al pH18,19,20 ,21,22,y tensioactivos23). Sin embargo, estos materiales sufren más de uno de los siguientes problemas: falta de reversibilidad, baja relación de contraste de conmutación de viscoelasticidad, baja adaptabilidad y velocidad de conmutación lenta. En los materiales convencionales, existe un equilibrio entre la relación de contraste de conmutación de viscoelasticidad y velocidad de conmutación; por lo tanto, diseñar materiales que cubran todos estos criterios con alto rendimiento es un reto. Para realizar materiales con la omnicapacidad antes mencionada, es esencial seleccionar o diseñar moléculas que lleven naturalezas emergentes tanto de alta fluidez (propiedad viscosa) como de rigidez (propiedad elástica).
Los cristales líquidos son sistemas ideales con un número potencialmente grande de fases cristalinas y sólidas líquidas que se pueden ajustar mediante el diseño molecular. Esto permite estructuras autoensambladas a diferentes escalas de longitud en determinadas fases LC. Por ejemplo, mientras que los LC nemáticos de alta simetría (NLC) presentan baja viscosidad y elasticidad debido a su orden espacial de corto alcance, los LC columnores o smecticos de baja simetría muestran alta viscosidad y elasticidad debido a un y dos dimensiones de largo alcance Periodicidades. Se espera que si los materiales LC se pueden cambiar entre dos fases con grandes diferencias en sus propiedades viscoelásticas, entonces se puede lograr un material inteligente viscoelástico con alto rendimiento. Se han notificado algunos ejemplos9,10,11,12,13,14,15.
Este artículo demuestra la preparación de un material lc fotorreológico con una secuencia de fase de isotrópico (I)-nematic (N)-twist-bend nematic (TB)24-cristal (Cry) al enfriamiento (y viceversa al calentar), que exhibe rápido y reversible conmutación viscoelástica en respuesta a la luz. Aquí se presentan los métodos para medir la viscoelasticidad y una ilustración de la relación estructura microscópica-viscoelasticidad. Los detalles se describen en las secciones representativas de resultados y discusión.
Protocol
Representative Results
Discussion
Como se revela en la Figura 1,CB6OABOBu es un material foto-responsivo con secuencias de fase I, N, TB y Cry al enfriamiento. Dado que el orden local de estas fases difiere significativamente, se espera que la conmutación foto-impulsada de las propiedades reológicas muestre un buen contraste viscoelástico. Para investigar cuantitativamente esto, se realizaron mediciones fotorreológicas.
En primer lugar, consideramos los datos reológicos medidos en la oscurida…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado por el proyecto bilateral de investigación conjunta HAS-JSPS. Se reconoce el apoyo financiero de las subvenciones NKFIH PD 121019 y FK 125134.
Materials
| 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 |
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