Yapısal Photoresponsive sıvı kristaller dinamikleri gözlemlemek için yeni teknikleri
Summary
Burada, bir sütun halinde photoexcited molekülleri etrafında yerel yapıların deformasyonlar gözlemleri sağlayan diferansiyel-algılama analizleri zaman karar vermek kızılötesi titreşim spektroskopisinin ve elektron kırınım protokolleri mevcut sıvı kristal, yapısı ve bu fotoaktif malzeme dinamikleri arasındaki ilişki üzerine atomik bir bakış açısı veren.
Abstract
Zaman karar vermek kızılötesi (IR) titreşim spektroskopisinin ve zaman çözüldü elektron kırınım kullanarak sıvı kristal (LC) aşamasında moleküller deneysel ölçümler bu makalede görüşmek. Sıvı kristal faz katı ve sıvı fazlar arasında varolan madde önemli bir durumdur ve olduğu gibi organik elektronik doğal sistemlerin de yaygındır. Sıvı kristaller orientationally sipariş ancak gevşek Paketli ve bu nedenle, iç biçimler ve hizalamaları LCs moleküler bileşenlerinin dış uyaranlara tarafından değiştirilebilir. Her ne kadar zaman karar vermek gelişmiş difraksiyon tekniklerini Pikosaniye ölçekli tek kristaller moleküler dinamiklerini ortaya çıkardı ve polycrystals, doğrudan gözlem ambalaj yapıları ve yumuşak malzeme ultrafast dynamics tarafından bulanık engel olmuştur kırınım desenleri. Burada, IR titreşim spektroskopisinin zaman karar vermek ve elektron diffractometry ultrafast anlık görüntülerini fotoaktif çekirdek yan taşıyan sütunlar halinde bir LC malzeme elde etmek için raporu. Diferansiyel-algılama analizleri kombinasyonu zaman çözüldü-IR titreşim spektroskopisinin ve elektron kırınım yapıları ve yumuşak malzeme dinamikleri photoinduced karakterize güçlü araçlardır.
Introduction
Sıvı kristaller (LCs) çeşitli işlevler var ve bilimsel ve teknolojik uygulamalar1,2,3,4,5,6‘ da yaygın olarak kullanılmaktadır. LCs davranışını kendi orientational de molekülleri yüksek hareket yeteneği olarak sipariş için bağlanabilir. LC malzemelerin moleküler yapısı genellikle bir mesogen çekirdek ve LC moleküllerin yüksek hareket kabiliyetine sahip emin olmak kadar esnek karbon zincirleri ile karakterizedir. Dış uyaranlara7,8,9,10,11,12,13,14altında,15 , ışık, elektrik alanları, sıcaklık değişiklikleri veya mekanik basınç, küçük Intra – ve fonksiyonel davranışını önde gelen sistem, yeniden sıralama LC molekülleri neden köklü yapısal cins hareketleri gibi. LC malzemelerin işlevleri anlamak için moleküler ölçek yapısı LC aşamasında belirlemek ve moleküler biçimler ve ambalaj deformasyonlar anahtar hareketleri tanımlamak önemlidir.
X-ışını kırınım (XRD) yaygın olarak LC malzemeleri16,17,18yapıları belirlemek için güçlü bir araç olarak istihdam edilmektedir. Ancak, bir işlev uyaranlara duyarlı özünden kaynaklanan kırınım deseni kez geniş halo desenine göre uzun karbon zincirlerinden gizli olduğunu. Bu soruna etkili bir çözüm moleküler dynamics photoexcitation kullanarak doğrudan gözlemleri sağlar zaman çözüldü kırınım Analizi tarafından sağlanır. Bu teknik daha önce ve photoexcitation sonra elde edilen kırınım desenler arasındaki farklar kullanarak photoresponsive aromatik yan hakkında yapısal bilgi ayıklar. Bu farklılıklar arka plan gürültü kaldırmak ve doğrudan ilgi yapısal değişiklikleri gözlemlemek için yol sağlar. Analizleri fark kırınım kalıplarının yalnız, böylece zararlı kırınım photoresponsive karbon zincirlerinden hariç fotoaktif yan gelen modüle sinyalleri ortaya koyuyor. Bu fark kırınım Analizi yönteminin bir açıklaması vardı, M. ve ark19sağlanır.
Zaman çözüldü kırınım ölçümleri malzemeler20,21,22,23, faz geçiş sırasında oluşan atomik düzenlemeler hakkında yapısal bilgi verebilir misiniz 24 , 25 , 26 , 27 , 28 , 29 ve kimyasal reaksiyonlar arasında molekülleri30,31,32,33,34. Akılda bu uygulamaları ile dikkat çekici ultrabright ve darbeli ultrashort x-ışını35,36 ve elektron37,38,39 gelişiminde ilerleme kaydedildi , 40 kaynakları. Ancak, zaman çözüldü kırınım sadece basit, izole moleküllere veya için tek – veya poli-kristaller, içinde son derece inorganik kafes sipariş uygulanmış veya organik moleküller yapısal sağlayan iyi çözülmüş kırınım desenler üretmek bilgi. Buna ek olarak, daha karmaşık yumuşak malzeme ultrafast yapısal analiz onların daha az sipariş edilen aşama nedeniyle engel olmuştur. Bu çalışmada, zaman çözüldü elektron kırınım yanı sıra geçici soğurma spektroskopisi ve istimal bu fotoaktif LC malzemeler yapısal dinamikleri karakterize etmek için zaman karar vermek kızılötesi (IR) titreşim spektroskopisi kullanımını göstermektedir kırınım çıkarılan metodoloji19.
Protocol
Representative Results
Discussion
Zaman çözüldü elektron kırınım ölçümleri sürecinde önemli bir adım yüksek gerilim Bakımı (75 keV) photocathode ve anot arasındaki mesafe beri geçerli dalgalanma olmadan sadece ~ 10 mm plakadır. Geçerli 0.1 µA aralığı önce veya deneyler sırasında dalgalanma gösteriyorsa, 90 kadar ivme voltajı yükseltin deşarj ve daha 75’e ayarlamak için keV keV. Bu Klima işlem geçerli 0.1 µA aralığında değişiklik gösterir kadar yapılması gerekiyor. Uygun elektron kaynağı dielektrik yeterli güc…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dr. S. Tanaka Tokyo Teknoloji Enstitüsü’nde IR titreşim spektroskopisinin ölçümler zaman karar vermek için ve Prof. M. Hara ve Dr. K. Matsuo Nagoya Üniversitesi XRD ölçümler için teşekkür ederiz. Prof. Dr. S. Yamaguchi Nagoya Üniversitesi Kiel Üniversitesi’nde Prof. Dr. R. Herges ve Prof. Dr. R. J. D. Miller yapısı Max Planck Enstitüsü ve Dynamics konu değerli tartışma için ayrıca teşekkür ederiz.
Bu eser Japon bilim teknoloji (JST tarafından), saygınlık, “moleküler teknoloji ve yeni işlevler oluşturma” projelerin finansmanı için desteklenir (Grant JPMJPR13KD, JPMJPR12K5 ve JPMJPR16P6 sayısı) ve “Işık enerjisi kimyasal dönüşüm”. Bu eser de kısmen JSP’ler Grant numaraları JP15H02103, JP17K17893, JP15H05482, JP17H05258, JP26107004 ve JP17H06375 tarafından desteklenir.
Materials
| Chirped pulse amplifier | Spectra Physics Inc. | Spitfire ACE | For time-resolved IR vibration spectroscopy |
| Chirped pulse amplifier | Spectra Physics Inc. | Spitfire XP | For time-resolved electron diffractometry |
| Femtosecond laser | Spectra Physics Inc. | Tsunami | For time-resolved IR vibration spectroscopy |
| Femtosecond laser | Spectra Physics Inc. | Tsunami | For time-resolved electron diffractometry |
| Optical parametric amplifier | Light Conversion Ltd. | TOPAS prime | |
| 64-channel mercury cadmium tellurium IR detector array | Infrared Systems Development Corporation | FPAS-6416-D | |
| FT-IR spectrometer | Shimadzu Corporation | IR Prestige-21 | |
| High voltage supply | Matsusada precision | HER-100N0.1 | |
| Rotary pump | Edwards | RV12 | |
| Molecular turbo pumps | Agilent Technologies Japan, Ltd. | Twis Torr 304FS | |
| Vacuum gauges | Pfeiffer vacuum systems gmbh | PKR251 | For ICF70 flange |
| Vacuum monitors | Pfeiffer vacuum systems gmbh | TPG261 | |
| Fiber coupled CCD camera | Andor Technology Ltd. | iKon-L HF | |
| BaF2 and CaF2 substrates | Pier optics | Thickness 3 mm | |
| AgGaS2 crystal | Phototechnica Corporation | Custom-order | |
| BBO crystals | Tokyo Instruments, Inc. | SHG θ=29.2 deg THG θ=44.3 deg |
|
| calcite crystals | Tokyo Instruments, Inc. | Thickness 1mm | |
| Optical mirrors | Thorlabs | PF10-03-F01 PF10-03-M01 UM10-45A |
Al coat mirrors Au coat mirrors Ultrafast mirrors |
| Optical mirrors | HIKARI,Inc. | Broadband mirrors | |
| Dichroic mirrors | HIKARI,Inc. | Custom-order Reflection: 266 nm Transmission: 400, 800 nm |
|
| Optical chopper | Newport Corporation | 3501 optical chopper | |
| Optical shutters | Thorlabs Inc. | SH05/M SC10 |
|
| Optical shutters | SURUGA SEIKI CO.,LTD. | F116-1 | |
| Beam splitters | Thorlabs Inc. | BSS11R | |
| Fused-silica lenses | Thorlabs Inc. | LA4663 LA4184 |
|
| BaF2 lens | Thorlabs Inc. | LA0606-E | |
| Polarized mirrors | Sigmakoki Co.,Ltd | Custom-order Designed for 800 nm Reflection: s-polarized light Transmission : p-polarized light |
|
| Half waveplate | Thorlabs Inc. | WPH05M-808 | |
| Mirror mounts | Thorlabs Inc. | POLARIS-K1 KM100 |
Kinematic mirror mounts |
| Mirror mounts | Sigmakoki Co.,Ltd | MHAN-30M MHAN-30S |
Gimbal mirror mounts |
| Mirror mounts | Newport Corporation | ACG-3K-NL | Gimbal mirror mounts |
| Variable ND filters | Thorlabs Inc. | NDC-25C-2M | |
| Beam splitter mounts | Thorlabs Inc. | KM100S | |
| Lens mounts | Thorlabs Inc. | LMR1/M | |
| Rotational mounts | Thorlabs Inc. | RSP1/M | |
| Retroreflector | Edmund Optics | 63.5MM X 30" EN-AL | |
| spectrometers | ocean photonics | USB-4000 | |
| Power meter | Ophir | 30A-SH | Used for intensity monitor of CPA |
| Power meter | Thorlabs Inc. | S120VC PM100USB |
Used for intensity measurements of pump pulse |
| Photodiodes | Thorlabs Inc. | DET36A/M DET25K/M |
|
| DC power supply | TEXIO | PW18-1.8AQ | Used for magnetic lens |
| Magnetic lens | Nissei ETC Co.,Ltd | Custom-order | |
| Stages | Newport Corporation | M-MVN80V6 LTAHLPPV6 |
Used for magnetic lens |
| Stage controller | Newport Corporation | SMC100 | |
| Stages | Sigmakoki Co.,Ltd | SGSP20-35(X) SGSP20-85(X) |
Used for sample position |
| Stages | Sigmakoki Co.,Ltd | SGSP26-200(X) OSMS26-300(X) |
Used for delay time generator |
| Stage controller | Sigmakoki Co.,Ltd | SHOT-304GS | |
| Picoammeter | Laboratory built | ||
| spin coater | MIKASA Co.,Ltd | 1H-D7 | |
| hot plate | IKA® | C-MAG HP7 | |
| SiN wafer | Silson Ltd | Custom-order | |
| KOH aqueous solution (50%) | Hiroshima Wako Co.,Ltd. | 168-20455 | |
| Chloroform | Hiroshima Wako Co.,Ltd. | 038-18495 | |
| Dichloromethane | Hiroshima Wako Co.,Ltd. | 132-02456 | |
| Personal computers for the controlling programs | Epson Corporate | Endeavor MR7300E-L | 32-bit operation system |
| Program for the control the equipment | National Instruments Corporation | Labview2016 | |
| Program for the data analysis | The MathWorks, Inc. | Matlab2015b |
References
- Van Haaren, J., Broer, D. In search of the perfect image. Chem. Ind. 24, 1017-1021 (1998).
- Goodby, J. W., Collings, P. J., Kato, T., Tschierske, C., Gleeson, H. F., Raynes, P. . Handbook of Liquid Crystals. , (2014).
- Li, Q. . Liquid Crystal Beyond Displays. , (2012).
- Kato, T. Self-assembly of phase-segregated liquid crystal structures. Science. 295, 2414-2418 (2002).
- Fleismann, E. K., Zentel, R. Liquid-Crystalline Ordering as a Concept in Materials Science: From Semiconductors to Stimuli-Responsive Devices. Angew. Chem. Int. Ed. 52, 8810-8827 (2013).
- Sergeyev, S., Pisula, W., Geerts, Y. H. Discotic liquid crystals: a new generation of organic semiconductors. Chem. Soc. Rev. 36, 1902-1929 (2007).
- Goodby, J. W. Mesogenic molecular crystalline materials. Curr. Opin. Solid State Mater. Sci. 4, 361-368 (1999).
- Ichimura, K. Photoalignment of Liquid-Crystal Systems. Chemical Reviews. 100, 1847-1873 (2000).
- Ikeda, T. Photomodulation of liquid crystal orientations for photonic applications. J. Mater. Chem. 13, 2037-2057 (2003).
- Browne, W. R., Feringa, B. L. Making molecular machines work. Nat. Nanotech. 1, 25-35 (2006).
- Ikeda, T., Mamiya, J., Yu, Y. Photomechanics of liquid-crystalline elastomers and other polymers. Angew. Chem., Int. Ed. 46, 506-528 (2007).
- Sagara, Y., Kato, T. Brightly Tricolored Mechanochromic Luminescence from a Single-Luminophore Liquid Crystal: Reversible Writing and Erasing of Images. Angew. Chem. Int. Ed. 50, 9128-9132 (2011).
- Miyajima, D., et al. Ferroelectric columnar liquid crystal featuring confined polar groups within core-shell architecture. Science. 336, 209-213 (2012).
- White, T. J., Broer, D. J. Programmable and adaptive mechanics with liquid crystal polymer networks and elastomers. Nat. Mater. 14, 1087-1098 (2015).
- Saito, S., et al. Light-melt adhesive based on dynamic carbon frameworks in a columnar liquid-crystal phase. Nat. Commun. 7, 12094 (2016).
- Lagerwall, J. P. F., Giesselmann, F. Current Topics in Smectic Liquid Crystal Research. Chem. Phys. Chem. 7, 20-45 (2006).
- Yoon, H. G., Agra-Kooijman, D. M., Ayub, K., Lemieux, R. P., Kumar, S. Direct Observation of Diffuse Cone Behavior in de Vries Smectic-A and -C Phases of Organosiloxane Mesogens. Phys. Rev. Lett. 106, 087801 (2011).
- Takanishi, Y., Ohtsuka, Y., Takahashi, Y., Kang, S., Iida, A. Chiral doping effect in the B2 phase of a bent-core liquid crystal: The observation of resonant X-ray satellite peaks assigned to the 5/10 layer periodic structure. Euro. Phys. Lett. 109, 56003 (2015).
- Hada, M., et al. Structural Monitoring of the Onset of Excited-State Aromaticity in a Liquid Crystal Phase. J. Am. Chem. Soc. 139, 15792-15800 (2017).
- Cavalleri, A., et al. Femtosecond Structural Dynamics in VO2 during an Ultrafast Solid-Solid Phase Transition. Phys. Rev. Lett. 87, 237401 (2001).
- Hada, M., Okimura, K., Matsuo, J. Characterization of structural dynamics of VO2 thin film on c-Al2O3 using in-air time-resolved x-ray diffraction. Phys. Rev. B. 82, 153401 (2010).
- Eichberger, M., et al. Snapshots of cooperative atomic motions in the optical suppression of charge density waves. Nature. 468, 799-802 (2010).
- Ichikawa, H., et al. Transient photoinduced ‘hidden’ phase in a manganite. Nat. Mater. 10, 101-105 (2011).
- Hada, M., Okimura, K., Matsuo, J. Photo-induced lattice softening of excited-state VO2. Appl. Phys. Lett. 99, 051903 (2011).
- Zamponi, F., Rothhardt, P., Stingl, J., Woerner, M., Elsaesser, T. Ultrafast large-amplitude relocation of electronic charge in ionic crystals. P. Natl. Acad. Sci. USA. 109, 5207-5212 (2012).
- Beaud, P., et al. A time-dependent order parameter for ultrafast photoinduced phase transitions. Nat. Mater. 13, 923-927 (2014).
- Morrison, V. R., et al. A photoinduced metal-like phase of monoclinic VO revealed by ultrafast electron diffraction. Science. 346, 445-448 (2014).
- Han, T. -. R. T., et al. Exploration of metastability and hidden phases in correlated electron crystals visualized by femtosecond optical doping and electron crystallography. Sci. Adv. 5, 1400173 (2015).
- Waldecker, L., et al. Time-domain separation of optical properties from structural transitions in resonantly bonded materials. Nat. Mater. 14, 991-995 (2015).
- Minitti, M. P., et al. Imaging Molecular Motion: Femtosecond X-Ray Scattering of an Electrocyclic Chemical Reaction. Phys Rev. Lett. 114, 255501 (2015).
- Kim, K. H., et al. Direct observation of bond formation in solution with femtosecond X-ray scattering. Nature. 518, 385-389 (2015).
- Gao, M., et al. Mapping molecular motions leading to charge delocalization with ultrabright electrons. Nature. 496, 343-346 (2013).
- Ishikawa, T., et al. Direct observation of collective modes coupled to molecular orbital-driven charge transfer. Science. 350, 1501-1505 (2015).
- Xian, R., et al. Coherent ultrafast lattice-directed reaction dynamics of triiodide anion photodissociation. Nat. Chem. 9, 516-522 (2017).
- Chapman, H. N., et al. Femtosecond X-ray protein nanocrystallography. Nature. 470, 73-77 (2011).
- Ishikawa, T., et al. A compact X-ray free-electron laser emitting in the sub-ångström region. Nature Photonics. 6, 540-544 (2012).
- Zewail, A. H. Four-dimensional electron microscopy. Science. 328, 187-193 (2010).
- Sciaini, G., Miller, R. J. D. Femtosecond electron diffraction: heralding the era of atomically resolved dynamics. Rep. Prog. Phys. 74, 096101 (2011).
- Hada, M., Pichugin, K., Sciaini, G. Ultrafast structural dynamics with table top femtosecond hard X-ray and electron diffraction setups. Euro. Phys. J. Special Topic. 222, 1093-1123 (2013).
- Miller, R. J. D. Mapping atomic motions with ultrabright electrons: the chemists’ gedanken experiment enters the lab frame. Annu. Rev. Phys. Chem. 65, 583-604 (2014).
- Seki, T., Murase, T., Matsuo, J. Cluster size dependence of sputtering yield by cluster ion beam irradiation. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 242, 179-181 (2006).
- Mueller, C., Harb, M., Dwyer, J. R., Miller, R. J. D. Nanofluidic Cells with Controlled Pathlength and Liquid Flow for Rapid, High-Resolution In Situ Imaging with Electrons. J. Phys. Chem. Lett. 4, 2339-2347 (2013).
- Mouri, K., Saito, S., Yamaguchi, S. Highly Flexible π-Expanded Cyclooctatetraenes: Cyclic Thiazole Tetramers with Head-to-Tail Connection. Angew. Chem. Int. Ed. 51, 5971-5975 (2012).
- Mouri, K., Saito, S., Hisaki, I., Yamaguchi, S. Thermal 8π electrocyclic reaction of heteroarene tetramers: new efficient access to π-extended cyclooctatetraenes. Chem. Sci. 4, 4465-4469 (2013).
- Rosenberg, M., Dahlstrand, C., Kilså, K., Ottosson, H. Excited State Aromaticity and Antiaromaticity: Opportunities for Photophysical and Photochemical Rationalizations. Chem. Rev. 114, 5379-5425 (2014).
- Kato, T., Mizoshita, N., Kishimoto, K. Functional Liquid-Crystalline Assemblies: Self-Organized Soft Materials. Angew. Chem. Int. Ed. 45, 38-68 (2006).
- Rosen, B. M., et al. Dendron-Mediated Self-Assembly, Disassembly, and Self-Organization of Complex Systems. Chem. Rev. 109, 6275-6540 (2009).
- Fukazawa, N., et al. Time-Resolved Infrared Vibrational Spectroscopy of the Photoinduced Phase Transition of Pd(dmit)2 Salts Having Different Orders of Phase Transition. J. Phys. Chem. C. 117, 13187 (2013).
- Mukuta, T., et al. Infrared Vibrational Spectroscopy of [Ru(bpy)2(bpm)]2+ and [Ru(bpy)3]2+ in the Excited Triplet State. Inorg. Chem. 53, 2481-2490 (2014).
- Tanaka, S., Takahashi, K., Hirahara, M., Yagi, M., Onda, K. Characterization of the excited states of distal-. and proximal-.[Ru(tpy)(pynp)OH2]2+ in aqueous solution using time-resolved infrared spectroscopy. J. Photochem. Photobio. A. 313, 87-98 (2015).
- Mukuta, T., Tanaka, S., Inagaki, A., Koshihara, S., Onda, K. Direct Observation of the Triplet Metal-Centered State in [Ru(bpy)3]2+ Using Time-Resolved Infrared Spectroscopy. ChemistrySelect. 1, 2802-2807 (2016).
- Epp, S. W., et al. Time zero determination for FEL pump-probe studies based on ultrafast melting of bismuth. Str. Dyn. 4, 054308 (2017).
- Hada, M., et al. Cold ablation driven by localized forces in alkali halides. Nat. Commun. 5, 3863 (2014).
- Hada, M., et al. Ultrafast time-resolved electron diffraction revealing the nonthermal dynamics of near-UV photoexcitation-induced amorphization in Ge2Sb2Te5. Sci. Rep. 5, 13530 (2015).
- Hada, M., et al. Evaluation of Damage Layer in an Organic Film with Irradiation of Energetic Ion Beams. Jpn. J. Appl. Phys. 49, 036503 (2010).
- Hada, M., et al. Bandgap modulation in photoexcited topological insulator Bi2Te3 via atomic displacements. J. Chem. Phys. 145, 024504 (2016).
- Manz, S., et al. Mapping atomic motions with ultrabright electrons: towards fundamental limits in space-time resolution. Faraday Discuss. 77, 467-491 (2015).
