Høy kontrast og rask Photorheological veksling av en Twist-Bend Nematic Liquid Crystal
Summary
Denne protokollen demonstrerer utarbeidelse av et photorheological materiale som viser en solid fase, ulike flytende krystallinsk faser, og en isotropic væskefase ved å øke temperaturen. Presentert her er metoder for å måle strukturen-viscoelasticity forhold av materialet.
Abstract
Smart viskoelastiske materialer som reagerer på spesifikke stimuli er en av de mest attraktive klasser av materialer som er viktige for fremtidige teknologier, for eksempel on-demand valgbar vedheft teknologier, aktuatorer, molekylære klør, og nano-/microscopic masse Transportører. Nylig ble det funnet at gjennom en spesiell solid-flytende overgang, reologiske egenskaper kan vise vesentlige endringer, og dermed gi egnede smarte viskoelastiske materialer. Men å designe materialer med en slik eiendom er kompleks, og fremover og bakover veksling ganger er vanligvis lang. Derfor er det viktig å utforske nye arbeids mekanismer for å realisere fast-flytende overganger, forkorte bytte tiden, og forbedre kontrasten av reologiske egenskaper ved bytte. Her er en lett indusert krystall-flytende faseovergang observert, som er karakterisert ved hjelp av polarisert lys mikroskopi (POM), photorheometry, foto-differensial skanning reaksjonskalorimetri (Foto-DSC), og X-ray Diffraksjon (XRD). Den lys-indusert krystall-flytende fase overgangen presenterer viktige funksjoner som (1) rask veksling av krystall-flytende faser for både forover og bakover reaksjoner og (2) et høyt kontrastforhold på viscoelasticity. I karakterisering, er POM fordelaktig i å tilby informasjon om den romlige fordelingen av LC molekyl orientering, bestemme type flytende krystallinsk faser vises i materialet, og studere orienteringen av LCs. Photorheometry tillater måling av et materialets reologiske egenskaper underlette stimuli og kan avdekke de photorheological koblingsegenskapene til materialene. Photo-DSC er en teknikk for å undersøke termodynamisk informasjon om materialer i mørket og under lys bestråling. Endelig, XRD tillater studier av mikroskopiske strukturer av materialer. Målet med denne artikkelen er å tydelig presentere hvordan man skal forberede og måle diskutert egenskapene til et photorheological materiale.
Introduction
Smart mekanisk materiale med evne til å endre sine viskoelastiske egenskaper som svar på miljø variasjon har generert enorm interesse blant forskerne. Switchability anses å være den viktigste Material faktoren, som gir robusthet av repeterende mekanisk respons i levende organismer. Hittil har kunstige valgbar materialer med allsidige funksjoner er designet ved å utnytte myk materie (dvs. photoresponsive hydrogeler1,2,3, polymerer4,5, 6,7,8,9,10,11, flytende krystaller [LCs]9,10,11, 12,13,14,15,16,17, pH-responsive miceller18,19,20 ,21,22og overflateaktive stoffer23). Men disse materialene lider av mer enn ett av følgende problemer: mangel på Reversibilitet, lav bytte kontrast ratio av viscoelasticity, lav tilpasningsevne, og langsom veksling hastighet. I konvensjonelle materialer, en hestekreftene mellom skifter kontrastforholdet mellom viscoelasticity og bytte hastighet; Dermed er det utfordrende å designe materialer som dekker alle disse kriteriene med høy ytelse. Å realisere materialer med de nevnte omnicapability, velge eller designe molekyler som bærer emergent natur både høy flyt (viskøs eiendom) og stivhet (elastisk eiendom) er viktig.
Flytende krystaller er ideelle systemer med et potensielt stort antall flytende krystallinsk og solide faser som kan stilles med molekylær design. Dette gjør at selv monterte strukturer med ulik lengde skalaer i spesielle LC-faser. For eksempel, mens høy-symmetri nematic LCs (NLCs) viser lav viskositet og elastisitet på grunn av deres kort rekkevidde romlig rekkefølge, lav-symmetri søyle eller smektisk LCs vise høy viskositet og elastisitet på grunn av en-og to-dimensjonale langtrekkende periodicities. Det er forventet at hvis LC materialer kan byttes mellom to faser med store forskjeller i deres viskoelastiske egenskaper, deretter en viskoelastiske smart materiale med høy ytelse kan oppnås. Noen få eksempler har blitt rapportert9,10,11,12,13,14,15.
Denne artikkelen demonstrerer utarbeidelse av en photorheological LC materiale med en fase sekvens av isotropic (I)-nematic (N)-Twist-bøye nematic (TB)24-Crystal (Cry) ved kjøling (og vice versa ved oppvarming), som viser rask og reversibel viskoelastiske skifter som respons på lys. Presentert her er metodene for å måle viscoelasticity og en illustrasjon av mikroskopisk struktur-viscoelasticity forholdet. Detaljer er beskrevet i representative resultater og diskusjons seksjoner.
Protocol
Representative Results
Discussion
Som avslørt i figur 1, er CB6OABOBu et foto-responsiv materiale med jeg, N, TB, og Cry fase sekvenser ved kjøling. Siden lokal bestilling av disse fasene avviker betydelig, er Foto-drevet veksling av reologiske egenskaper ventes å vise god viskoelastiske kontrast. For å kvantitativt undersøke dette, ble Foto-Reologi målinger utført.
Først vurderer vi reologiske data målt i mørket (figur 2a, røde åpne sirkl…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av det JSP bilaterale felles forskningsprosjektet. Finansiell støtte fra tilskudd NKFIH PD 121019 og FK 125134 er anerkjent.
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).
