JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Résultats
Discussion
Divulgations
Acknowledgements
Materials
References
Traduction automatique
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Chimie

Nya tekniker för att observera strukturella dynamiken i Photoresponsive flytande kristaller

Published: May 29, 2018
doi:
10.3791/57612
, , , , , ,
1Graduate School of Natural Science and Technology,Okayama University, 2Graduate School of Science,Kyoto University, 3Center for Computational Sciences,University of Tsukuba, 4Graduate School of Science,Kyushu University

Summary

Här presenterar vi protokoll av differential-detection analyser av tid-löst infraröd vibrationella spektroskopi och elektron diffraktion som gör observationer av deformationer av lokala strukturer runt photoexcited molekyler i en tabelluppställning flytande kristaller, ger en atom perspektiv på relationen mellan strukturen och dynamiken i detta fotoaktiva material.

Abstract

I denna artikel diskuterar vi experimentella mätningar av molekylerna i flytande kristaller (LC) fas med hjälp av tid-löst infraröd (IR) vibrationella spektroskopi och tid-löst diffraktion. Flytande kristaller fasen är ett viktigt tillstånd av materia som finns mellan de fasta och flytande faserna och det är vanligt i naturliga system såväl som i organisk elektronik. Flytande kristaller är orientationally beställt men löst Lunchpaket och därför den interna konformationer och anpassningar av de molekylära komponenterna i LCs kan ändras av yttre stimuli. Även om avancerade tid-löst diffraktion tekniker har avslöjat pikosekund-skala molekylär dynamik av enstaka kristaller och polycrystals, direkta observationer av förpackning strukturer och ultrasnabb dynamiken i mjuka material har hämmats av suddiga diffraktionsmönster. Här, rapportera vi tid-löst vibrationella IR-spektroskopi och elektron diffractometry att förvärva ultrasnabb ögonblicksbilder av ett columnar LC material bär en fotoaktiva core biexponentiellt. Differential-detection analyser av kombinationen av tid-löst IR vibrationella spektroskopi och diffraktion är kraftfulla verktyg för att karaktärisera strukturer och photoinduced dynamik av mjuka material.

Introduction

Flytande kristaller (LCs) har en mängd funktioner och används ofta i vetenskapliga och tekniska program1,2,3,4,5,6. Beteendet hos LCs kan tillskrivas deras värderar beställning samt att deras molekyler hög rörlighet. En molekylär struktur av LC material kännetecknas vanligtvis av en mesogen kärna och långa flexibla kolkedjor som säkerställer hög rörlighet av LC molekylerna. Enligt yttre stimuli7,8,9,10,11,12,13,14,15 , till exempel ljus, elektriska fält, temperaturväxlingar eller mekaniskt tryck, små intra- och intermolekylära motioner LC molekyler orsaka drastiska strukturfondernas omnumreringen i systemet, vilket leder till dess funktionella beteende. För att förstå funktionerna i LC material, är det viktigt att bestämma strukturen molekylär skala i LC fas och identifiera de viktiga rörelserna av molekylär konformationer och packning deformationer.

Röntgendiffraktion (XRD) används vanligen som ett kraftfullt verktyg för att fastställa strukturer LC material16,17,18. Dock är diffraktionsmönster med ursprung från en funktionell stimuli-lyhörd kärna ofta döljs av en bred halo mönster från de långa kolkedjor. En effektiv lösning på detta problem tillhandahålls av tid-löst diffraktion analys, som möjliggör direkta observationer av molekylär dynamik med hjälp av photoexcitation. Denna teknik extraherar strukturell information om den photoresponsive aromatiska biexponentiellt med skillnaderna mellan de diffraktionsmönster som erhållits före och efter photoexcitation. Dessa skillnader ger möjligheter både att ta bort bakgrund buller och att direkt observera strukturella förändringar av intresse. Analyser av de differentiella diffraktionsmönster avslöja de modulerade signalerna från den fotoaktiva biexponentiellt ensam, därmed exklusive skadliga diffraktion från de icke-photoresponsive kolkedjor. En beskrivning av denna differential diffraktion analysmetod finns i Hada, M. et al19.

Tid-löst diffraktion mätningar kan ge strukturella information om de atomära omflyttningar som inträffar under fas övergången i material20,21,22,23, 24 , 25 , 26 , 27 , 28 , 29 och kemiska reaktioner bland molekyler30,31,32,33,34. Med dessa program i åtanke, har anmärkningsvärda framsteg gjorts i utvecklingen av ultrabright och ultrashort pulsade röntgen35,36 och elektron37,38,39 , 40 källor. Men tid-löst diffraktion har endast använts till enkla, isolerade molekyler eller till singel – eller poly-kristaller, i mycket beställt oorganiska galler eller organiska molekyler producera väl löst diffraktionsmönster som ger struktur information. Däremot har ultrasnabb strukturella analyser av mer komplexa mjuka material hindrats på grund av deras mindre beställda faser. I denna studie demonstrera vi användningen av tid-löst diffraktion och övergående absorption spektroskopi samt tid-löst infraröd (IR) vibrationella spektroskopi att karakterisera den strukturella dynamiken i fotoaktiva LC material med hjälp av denna diffraktion-extraherade metod19.

Protocol

1.-löst infraröd vibrationella spektroskopi Provberedning Lösning: Lös π-utökad cyclooctatetraene (π-COT) molekylerna till diklormetan med rätt koncentration (1 mmol/L). LC fas: smälta π-barnsäng pulvret på ett kalciumfluorid (CaF2) substrat med värmeplatta vid temperatur på 100 ° C. Cool provet vid rumstemperatur.Obs: Måste vi välja ett material (CaF2 eller barium fluor (BaF2)) som är öppet i mitten av-IR intervall.<…

Representative Results

Vi valde en sadel-formade π-barnsäng skelett43,44 som en fotoaktiva core LC molekylen, eftersom det bildar en väldefinierad columnar stapling struktur och centrala åtta-membered barnsäng ringen förväntas visa en photoinduced konfirmerande ändra till en platt form på grund av den glada-state aromaticitet19,45. Syntetiska processen av detta material finns i föregå…

Discussion

Det avgörande steget i processen under tiden-löst elektron diffraktion mätningarna är att upprätthålla den höga spänningen (75 keV) utan nuvarande fluktuationer sedan avståndet mellan photocathoden och anoden plattan är endast ~ 10 mm. Om nuvarande fluktuerar över spänna av 0.1 µA före eller under experimenten, öka acceleration spänningen upp till 90 keV ansvarsfrihet och ställa in den igen till 75 keV. Denna konditionering process som måste göras tills strömmen varierar i intervallet 0.1 µA. Ordentl…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Vi tackar Dr. S. Tanaka vid Tokyo Institute of Technology för tid-löst IR vibrationella spektroskopi mätningar och Prof. M. Hara och Dr. K. Matsuo vid Nagoyauniversitetet för XRD mätningar. Vi också tack Prof. S. Yamaguchi vid Nagoya University, Prof. R. Herges vid Kiels universitet och Prof. R. J. D. Miller vid Max Planck-institutet för struktur och Dynamics of Matter för värdefull diskussion.

Detta arbete stöds av den japanska vetenskap teknik (JST), PRESTO, för finansiering av projekt ”molekylär teknik och skapande av nya funktioner” (Grant numrera av JPMJPR13KD, JPMJPR12K5 och JPMJPR16P6) och ”kemisk omvandling av ljusenergi”. Detta arbete stöds också delvis av JSPS Grant nummer JP15H02103, JP17K17893, JP15H05482, JP17H05258, JP26107004 och JP17H06375.

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Van Haaren, J., Broer, D. In search of the perfect image. Chem. Ind. 24, 1017-1021 (1998).
  2. Goodby, J. W., Collings, P. J., Kato, T., Tschierske, C., Gleeson, H. F., Raynes, P. . Handbook of Liquid Crystals. , (2014).
  3. Li, Q. . Liquid Crystal Beyond Displays. , (2012).
  4. Kato, T. Self-assembly of phase-segregated liquid crystal structures. Science. 295, 2414-2418 (2002).
  5. 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).
  6. Sergeyev, S., Pisula, W., Geerts, Y. H. Discotic liquid crystals: a new generation of organic semiconductors. Chem. Soc. Rev. 36, 1902-1929 (2007).
  7. Goodby, J. W. Mesogenic molecular crystalline materials. Curr. Opin. Solid State Mater. Sci. 4, 361-368 (1999).
  8. Ichimura, K. Photoalignment of Liquid-Crystal Systems. Chemical Reviews. 100, 1847-1873 (2000).
  9. Ikeda, T. Photomodulation of liquid crystal orientations for photonic applications. J. Mater. Chem. 13, 2037-2057 (2003).
  10. Browne, W. R., Feringa, B. L. Making molecular machines work. Nat. Nanotech. 1, 25-35 (2006).
  11. Ikeda, T., Mamiya, J., Yu, Y. Photomechanics of liquid-crystalline elastomers and other polymers. Angew. Chem., Int. Ed. 46, 506-528 (2007).
  12. 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).
  13. Miyajima, D., et al. Ferroelectric columnar liquid crystal featuring confined polar groups within core-shell architecture. Science. 336, 209-213 (2012).
  14. White, T. J., Broer, D. J. Programmable and adaptive mechanics with liquid crystal polymer networks and elastomers. Nat. Mater. 14, 1087-1098 (2015).
  15. Saito, S., et al. Light-melt adhesive based on dynamic carbon frameworks in a columnar liquid-crystal phase. Nat. Commun. 7, 12094 (2016).
  16. Lagerwall, J. P. F., Giesselmann, F. Current Topics in Smectic Liquid Crystal Research. Chem. Phys. Chem. 7, 20-45 (2006).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. Cavalleri, A., et al. Femtosecond Structural Dynamics in VO2 during an Ultrafast Solid-Solid Phase Transition. Phys. Rev. Lett. 87, 237401 (2001).
  21. 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).
  22. Eichberger, M., et al. Snapshots of cooperative atomic motions in the optical suppression of charge density waves. Nature. 468, 799-802 (2010).
  23. Ichikawa, H., et al. Transient photoinduced ‘hidden’ phase in a manganite. Nat. Mater. 10, 101-105 (2011).
  24. Hada, M., Okimura, K., Matsuo, J. Photo-induced lattice softening of excited-state VO2. Appl. Phys. Lett. 99, 051903 (2011).
  25. 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).
  26. Beaud, P., et al. A time-dependent order parameter for ultrafast photoinduced phase transitions. Nat. Mater. 13, 923-927 (2014).
  27. Morrison, V. R., et al. A photoinduced metal-like phase of monoclinic VO revealed by ultrafast electron diffraction. Science. 346, 445-448 (2014).
  28. 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).
  29. Waldecker, L., et al. Time-domain separation of optical properties from structural transitions in resonantly bonded materials. Nat. Mater. 14, 991-995 (2015).
  30. Minitti, M. P., et al. Imaging Molecular Motion: Femtosecond X-Ray Scattering of an Electrocyclic Chemical Reaction. Phys Rev. Lett. 114, 255501 (2015).
  31. Kim, K. H., et al. Direct observation of bond formation in solution with femtosecond X-ray scattering. Nature. 518, 385-389 (2015).
  32. Gao, M., et al. Mapping molecular motions leading to charge delocalization with ultrabright electrons. Nature. 496, 343-346 (2013).
  33. Ishikawa, T., et al. Direct observation of collective modes coupled to molecular orbital-driven charge transfer. Science. 350, 1501-1505 (2015).
  34. Xian, R., et al. Coherent ultrafast lattice-directed reaction dynamics of triiodide anion photodissociation. Nat. Chem. 9, 516-522 (2017).
  35. Chapman, H. N., et al. Femtosecond X-ray protein nanocrystallography. Nature. 470, 73-77 (2011).
  36. Ishikawa, T., et al. A compact X-ray free-electron laser emitting in the sub-ångström region. Nature Photonics. 6, 540-544 (2012).
  37. Zewail, A. H. Four-dimensional electron microscopy. Science. 328, 187-193 (2010).
  38. Sciaini, G., Miller, R. J. D. Femtosecond electron diffraction: heralding the era of atomically resolved dynamics. Rep. Prog. Phys. 74, 096101 (2011).
  39. 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).
  40. 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).
  41. 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).
  42. 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).
  43. 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).
  44. 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).
  45. 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).
  46. Kato, T., Mizoshita, N., Kishimoto, K. Functional Liquid-Crystalline Assemblies: Self-Organized Soft Materials. Angew. Chem. Int. Ed. 45, 38-68 (2006).
  47. Rosen, B. M., et al. Dendron-Mediated Self-Assembly, Disassembly, and Self-Organization of Complex Systems. Chem. Rev. 109, 6275-6540 (2009).
  48. 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).
  49. 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).
  50. 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).
  51. 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).
  52. Epp, S. W., et al. Time zero determination for FEL pump-probe studies based on ultrafast melting of bismuth. Str. Dyn. 4, 054308 (2017).
  53. Hada, M., et al. Cold ablation driven by localized forces in alkali halides. Nat. Commun. 5, 3863 (2014).
  54. 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).
  55. 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).
  56. Hada, M., et al. Bandgap modulation in photoexcited topological insulator Bi2Te3 via atomic displacements. J. Chem. Phys. 145, 024504 (2016).
  57. Manz, S., et al. Mapping atomic motions with ultrabright electrons: towards fundamental limits in space-time resolution. Faraday Discuss. 77, 467-491 (2015).

Tags

Keywords: Photoresponsive Liquid CrystalsStructural DynamicsTime-resolved IR Vibrational SpectroscopyDifferential IR SpectrumDifferential Electron DiffractionPi-COTLiquid Crystal Phase SampleTitanium-sapphire LaserChirped Pulse AmplifierMercury-cadmium-tellurium IR DetectorTransient SignalFlow CellMotorized StageLaser-induced Damage
check_url/fr/57612?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citer Cet Article
Hada, M., Saito, S., Sato, R., Miyata, K., Hayashi, Y., Shigeta, Y., Onda, K. Novel Techniques for Observing Structural Dynamics of Photoresponsive Liquid Crystals. J. Vis. Exp. (135), e57612, doi:10.3791/57612 (2018).
Télécharger la Citation
Réimpressions et Autorisations

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image