Высококонтрастное и быстрое фоторелогическое переключение Твист-Бенд Nematic Liquid Crystal
Summary
Этот протокол демонстрирует подготовку фотореологического материала, который обладает твердой фазой, различными жидкокристаллическими фазами и изотропной жидкой фазой за счет повышения температуры. Здесь представлены методы измерения структуры-вязкости отношения материала.
Abstract
Интеллектуальные вязкоупругие материалы, которые реагируют на специфические стимулы, являются одним из наиболее привлекательных классов материалов, важных для будущих технологий, таких как технологии комплаенсировки по требованию, приводы, молекулярные сцепления и нано-/микроскопическая масса Транспортеры. Недавно было установлено, что благодаря специальному твердо-жидкому переходу, реологические свойства могут проявлять значительные изменения, обеспечивая тем самым подходящие интеллектуальные вязкоэлные материалы. Тем не менее, проектирование материалов с таким свойством является сложным, и вперед и назад переключения раз, как правило, долго. Поэтому важно изучить новые рабочие механизмы для реализации твердо-жидких переходов, сократить время переключения и усилить контраст реологических свойств при переключении. Здесь наблюдается свето-индуцированный кристально-жидкий фазовый переход, который характеризуется поляризующей световой микроскопией (POM), фотореометрией, фотодифференцированной сканирующей калории (фото-DSC) и рентгеновской дифракцией (XRD). Свето-индуцированный кристально-жидкий переход фазы представляет ключевые характеристики such as (1) быстрое переключение кристалл-жидких фаз для обоих передних и обратных реакций и (2) высокое коэффициент контрастности вязкости. В характеристике POM выгодно предлагать информацию о пространственном распределении молекулярных ориентаций LC, определять тип жидкокристаллических фаз, появляющихся в материале, и изучать ориентацию LCs. Фотореометрия позволяет измерять реологические свойства материала при световых стимулах и может выявить фотореологические переключения свойств материалов. Photo-DSC – это метод исследования термодинамической информации материалов в темноте и при облучении света. Наконец, XRD позволяет изучать микроскопические структуры материалов. Целью данной статьи является четкое представление о том, как подготовить и измерить обсуждаемые свойства фотореологического материала.
Introduction
Умные механические материалы, способные изменять свои вязкоупругие свойства в ответ на изменение окружающей среды, вызвали огромный интерес у исследователей. Switchability считается наиболее важным материальным фактором, который обеспечивает надежность повторяющихся механических реакций в живых организмах. На сегодняшний день искусственные коммутируемые материалы с универсальными функциями разработаны с использованием мягкой материи (т.е. фоточувствительные гидрогели1,2,3,полимеры4,5, 6,7,8,9,10,11,жидкие кристаллы (LCs)9,10,11, 12,13,14,15,16,17,рН-реакционные микулы18,19,20 ,21,22, и сурфактанты23). Однако эти материалы страдают от более чем одной из следующих проблем: отсутствие обратимости, низкое коэффициент контрастности переключения вязкости, низкая адаптивность и медленная скорость переключения. В обычных материалах существует компромисс между коэффициентом контрастности переключения вязкости и скоростью переключения; таким образом, проектирование материалов, охватывающих все эти критерии с высокой производительностью является сложной задачей. Для реализации материалов с вышеупомянутой всемогущестью необходимо выбрать или проектировать молекулы, которые несут возникающие природы как высокой текучести (вязкое свойство), так и жесткости (эластичное свойство).
Кристаллы жидкости являются идеальными системами с потенциально большим количеством жидкокристаллических и твердых фаз, которые могут быть настроены с помощью молекулярной конструкции. Это позволяет самостоятельно собирать структуры в разных масштабах длины в определенных фазах LC. Например, в то время как высокосимметричные нематические LCs (NL) обладают низкой вязкостью и эластичностью из-за их пространственного порядка на малой дальности, низкосимметричные колобики или smectic LCs демонстрируют высокую вязкость и эластичность из-за одно- и двухмерного дальнего периодиики. Ожидается, что если LC материалы могут быть переключены между двумя фазами с большими различиями в их вязкоупругих свойств, то вязкоупругий смарт-материал с высокой производительностью может быть достигнуто. Несколько примеров были зарегистрированы9,10,11,12,13,14,15.
Данная статья демонстрирует подготовку фотореологического LC-материала с фазовой последовательностью изотропного (I)-нематического (N)-твист-изгиба нематического (ТБ)24-кристалла(Cry) при охлаждении (и наоборот при нагревании), который демонстрирует быструю и обратимую вязкая переключается в ответ на свет. Здесь представлены методы измерения вязкости и иллюстрация микроскопической структуры-вязкости отношений. Подробности описаны в репрезентативных результатах и разделах обсуждения.
Protocol
Representative Results
Discussion
Как показано на рисунке 1, CB6OABOBu является фото-отзывчивый материал с I, N, ТБ, и Cry фазовых последовательностей при охлаждении. Поскольку локальное упорядочение этих фаз значительно отличается, ожидается, что фотоприводное переключение реологических свойств будет проявля…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана двусторонним совместным исследовательским проектом HAS-JSPS. Подтверждена финансовая поддержка грантов NKFIH PD 121019 и 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 |
References
- Grindy, S. C., Holten-Andersen, N. Bio-inspired metal-coordinate hydrogels with programmable viscoelastic material functions controlled by longwave UV light. Soft Matter. 13, 4057-4065 (2017).
- Rosales, A. M., Mabry, K. M., Nehls, E. M., Anseth, K. S. Photoresponsive elastic properties of azobenzene-containing poly(ethylene-glycol)-based hydrogels. Biomacromolecules. 16, 798-806 (2015).
- Chang, D., Yan, W., Yang, Y., Wang, Q., Zou, L. Reversible light-controllable intelligent gel based on simple spiropyran-doped with biocompatible lecithin. Dyes and Pigments. 134, 186-189 (2015).
- Irie, M., Hirano, Y., Hashimoto, S., Hayashi, K. Photoresponsive Polymers. 2. Reversible Solution Viscosity Change of Polymamides Having Azobenzene Residues in the Main Chain. Macromolecules. 14, 262-267 (1981).
- Ito, S., Akiyama, H., Sekizawa, R., Mori, M., Yoshida, M., Kihara, H. Light-Induced Reworkable Adhesives Based on ABA-type Triblock Copolymers with Azopolymer Termini. ACS Applied Materials and Interfaces. 10, 32649-32658 (2018).
- Yamamoto, T., Norikane, Y., Akiyama, H. Photochemical liquefaction and softening in molecular materials, polymers, and related compounds. Polymer Journal. 50, 551-562 (2018).
- Petr, M., Helgeson, M. E., Soulages, J., McKinley, G. H., Hammond, P. T. Rapid Viscoelastic Switching of an Ambient Temperature Range Photoresponsive Azobenzene Side-chain Liquid Crystal Polymer. Polymer. 54, 2850-2856 (2013).
- Han, G. G. D., Li, H., Grossman, J. C. Optically controlled long-term storage and release of thermal energy in phase-change materials. Nature Communications. 8, 1-10 (2017).
- Akiyama, H., Yoshida, M. Photochemically Reversible Liquefaction and Solidification of Single Compounds Based on a Sugar Alcohol Scaffold with Multi Azo-Arms. Advanced Materials. 24, 2353-2356 (2012).
- Akiyama, H., et al. Photochemically reversible liquefaction and solidification of multiazobenzene sugar-alcohol derivatives and application to reworkable adhesives. ACS Applied Materials and Interfaces. 6, 7933-7941 (2014).
- Akiyama, H., Fukata, T., Yamashita, A., Yoshida, M., Kihara, H. Reworkable adhesives composed of photoresponsive azobenzene polymer for glass substrates. Journal of Adhesion. 93, 823-830 (2017).
- Norikane, Y., et al. Photoinduced Crystal-to-Liquid Phase Transitions of Azobenzene Derivatives and Their Application in Photolithography Processes through a Solid-Liquid Patterning. Organic Letters. 16, 5012-5015 (2014).
- Kim, D. Y., Lee, S. A., Kim, H., Kim, S. M., Kim, N., Jeong, K. U. An azobenzene-based photochromic liquid crystalline amphiphile for a remote-controllable light shutter. Chemical Communications. 51, 11080 (2015).
- Saito, S., et al. Light-melt adhesive based on dynamic carbon frameworks in a columnar liquid-crystal phase. Nature Communications. 7, 1-7 (2016).
- Peng, S., Guo, Q., Hughes, T. C., Hartley, P. G. Reversible Photorheological Lyotropic Liquid Crystals. Langmuir. 30, 866-872 (2014).
- Ito, S., Yamashita, A., Akiyama, H., Kihara, H., Yoshida, M. Azobenzene-Based (Meth)acrylates: Controlled Radical Polymerization, Photoresponsive Solid–Liquid Phase Transition Behavior, and Application to Reworkable Adhesives. Macromolecules. 51, 3243-3253 (2018).
- Yue, Y., Norikane, Y., Azumi, R., Koyama, E. Light-induced mechanical response in crosslinked liquid-crystalline polymers with photoswitchable glass transition temperatures. Nature Communications. 9, 1-8 (2018).
- Lee, H. Y., Diehn, K. K., Sun, K., Chen, T., Raghavan, S. R. Reversible Photorheological Fluids Based on Spiropyran-Doped Reverse Micelles. Journal of the American Chemical Society. 133, 8461-8463 (2011).
- Su, X., Cunningham, M. F., Jessop, P. G. Switchable viscosity triggered by CO2 using smart worm-like micelles. Chemical Communications. 49, 2655-2657 (2013).
- Cho, M. Y., Kim, J. S., Choi, H. J., Choi, S. B., Kim, G. W. Ultraviolet light-responsive photorheological fluids: as a new class of smart fluids. Smart Materials and Structures. 26, 1-8 (2017).
- Oh, H., et al. A simple route to fluids with photo-switchable viscosities based on a reversible transition between vesicles and wormlike micelles. Soft Matter. 9, 5025-5033 (2013).
- Akamatsu, M., et al. Photoinduced viscosity control of lecithin-based reverse wormlike micellar systems using azobenzene derivatives. RSC Advances. 8, 23742-23747 (2018).
- Song, B., Hu, Y., Zhao, J. A single-component photo-responsive fluid based on a gemini surfactant with an azobenzene spacer. Journal of Colloid and Interface Science. 333, 820-822 (2009).
- Borshch, V., et al. Nematic twist-bend phase with nanoscale modulation of molecular orientation. Nature Communications. 4, 2635-2643 (2013).
- Panov, V. P., et al. Spontaneous Periodic Deformations in Nonchiral Planar-Aligned Bimesogens with a Nematic-Nematic Transition and a Negative Elastic Constant. Physical Review Letters. 105, 1-4 (2010).
- Aya, S., et al. Fast-and-Giant Photorheological Effect in a Liquid Crystal Dimer. Advanced Materials Interfaces. 6, 1-7 (2019).
- Ishiba, K., et al. Photoliquefiable ionic crystals: A phase crossover approach for photon energy storage materials with functional multiplicity. Angewandte Chemie International Edition. 54, 1532-1536 (2015).
- Zhou, H., et al. Photoswitching of glass transition temperatures of azobenzene-containing polymers induces reversible solid-to-liquid transitions. Nature Chemistry. 9, 145-151 (2017).
