Oriëntatie Transitie In Een Vloeibaar Kristal Uitgelijnd Door De Thermodynamische Groei Van Interfacial Wetting Sheets
Summary
Hier presenteren wij een protocol om een oriënterende overgang van een vloeibaar kristal te activeren in reactie op de temperatuur. Methodologieën worden beschreven voor het bereiden van een monster om de overgang en de gedetailleerde overgangsontwikkeling te observeren.
Abstract
Bij vloeibaar kristal (LC) fysische chemie spelen moleculen in de buurt van het oppervlak een grote rol bij het beheersen van bulkoriëntatie. Tot nu toe is voornamelijk om de gewenste moleculaire oriëntatietoestanden in LC-displays te bereiken, de 'statische' oppervlakte-eigenschap van LC's, zogenaamde oppervlakverankering, intensief bestudeerd. Als een vuistregel, wanneer de initiële oriëntatie van LC's door specifieke oppervlakbehandelingen wordt vergrendeld, zoals wrijven of behandeling met een specifieke uitlijning, verandert het nauwelijks met temperatuur. Hier presenteren we een systeem dat een oriënterende overgang toont op temperatuurvariatie, die in strijd is met de consensus. Direct bij de overgang ervaren de bulk LC moleculen de oriënterende rotatie, 90 ° tussen de vlakke (P) oriëntatie bij hoge temperaturen en de verticale (V) oriëntatie bij lage temperaturen in de eerste-orde overgangsmaat. We hebben thermodynamische oppervlakteverankeringsgedrag bijgehouden door middel van polariserende optische microscopie (POM), dielektrische spectroscopie (DS), hoge resolutie differential scanning calorimetrie (HR-DSC) en weidingsröntgen diffractie (GI-XRD) en bereikte een geloofwaardige fysieke verklaring: dat de overgang wordt veroorzaakt door een groei van het oppervlak Bevochtigingsplaten, die de V-oriëntatie lokaal plaatsen tegen de P-oriëntatie in de massa. Dit landschap zou een algemene koppeling geven waarin wordt verklaard hoe de evenwichtskolomoriëntatie in veel LC-systemen beïnvloed wordt door oppervlakgelokaliseerde oriëntatie. In onze karakterisering zijn POM en DS voordelig door informatie te verstrekken over de ruimtelijke verdeling van de oriëntatie van LC-moleculen. HR-DSC geeft informatie over de precieze thermodynamische informatie over overgangen, die door beperkte resolutie niet door conventionele DSC-instrumenten kunnen worden aangepakt. GI-XRD geeft informatie over oppervlakspecifieke moleculaire oriëntatie en korte afstandsorders. Het doel van deze krant is een protocol voor te bereiden voor het opstellen van een monster die de transi vertoontEn demonstreert hoe de thermodynamische structurele variatie, zowel in de massa als op de oppervlakken, via de bovengenoemde methoden kan worden geanalyseerd.
Introduction
In de afgelopen jaren is er steeds belangrijker geworden om te leren hoe dynamische moleculaire eigenschappen en structuren van oppervlaktemoleculen als reactie op externe stimuli de bulkoriëntatie van materialen in LC-staten kunnen beïnvloeden. Een voorbeeld hiervan is het gebruik van LC biosensors als een nieuwe applicatie van LCs 1 , 2 . Om te kwantificeren hoeveel biobrandstoffen worden gedetecteerd, is het belangrijk om te weten hoe de interfaciale LC's die in aanraking komen met doelmoleculen veranderen en evolueren, terwijl ze ook detecteren en hoe ze hun eigenschappen overbrengen in de massa.
Door gebruik te maken van modellen om deze antwoorden na te streven begonnen we met systemen die hun moleculaire oriëntatie op het oppervlak hebben en kortlopende bestellingen die thermodynamisch variëren. Deze systemen stellen ons in staat om de veranderingen in de oppervlakterichting en -bestellingen met de resulterende massa-oriëntatie op een systematische manier te correleren. Onlangs hebben we verschillende LC-systemen gevonden die o tonenRationele overgangen, waarbij een spontane massa moleculaire oriëntatie verandert met temperatuur. In principe kunnen oriënterende overgangen worden ingedeeld in ofwel quasi-tweede-orde 3 , 4 of quasi-eerste-orde-overgang 5 , 6 , 7 , 8 . De eerstgenoemde wordt vergezeld van een continue bulkmoleculaire heroriëntatie bij veranderingen in temperatuur, terwijl de laatste een discontinue een toont. In dit artikel beschrijven we een oriënterende overgang op de quasi-eerste-orde manier tussen de P en de V oriënterende staten. Het gaat door in de enkele nematische (N) fase door de temperatuur te veranderen. Details zullen worden verstrekt in de representatieve resultaten en de discussie.
Aangezien de oriënterende verandering in het bulk moet worden geregeld door een verandering in de moleculaire oriëntatie van het oppervlak en kort-require orders, is het duidelijk dat dit systeem mogelijk inzicht kan geven in hoe de thermodynamische variatie in oppervlakmoleculaire oriëntatie en kortbereikbestellingen de bulkoriëntatie beïnvloedt. In dit artikel hebben we drie problemen aangepakt met behulp van vier complementaire methoden (POM, DS, HR-DSC en GI-XRD): (1) Hoe ziet de oriënterende overgang eruit? (2) Is de oriënterende overgang thermisch detecteerbaar? (3) Waarom en hoe gebeurt de oriënterende overgang?
Protocol
Representative Results
Discussion
De 10x POM beelden die zijn genomen met behulp van een 5 μm LC cel ( Figuren 1a en b ) tonen duidelijk aan dat de oriëntatietoestand van de bulk LC moleculen tussen de P en de V-oriëntaties over de temperatuurvariatie in de eerste orde verloopt. Dit wordt gekenmerkt door de domeincernatie- en groeiprocessen, waarbij een nieuwe oriëntatie verschilt van de initiële oriëntatie met 90 °. De overgangstemperaturen bij koeling en verwarming zijn respectievelijk 321,5 K en 325,3 K. Aange…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door JSPS KAKENHI subsidie nummer 16H06037. Wij bedanken de heer Yuji Sasaki in de Hokkaido University voor technische hulp voor HR-DSC.
Materials
| CYTOP | Asahi Glass Co. Ltd. | CTX-809A | |
| Solvent for CYTOP | Asahi Glass Co. Ltd. | CT-180 Sol. | |
| Alkaline detergent | Merck KGaA | Extran MA01 | |
| NOA61 | Norland Products, Inc. | #37-322 | Purchasable from Edmund Optics |
| AL1254 | JSR Corporation | Planar alignment material in self-made cells | |
| 4’-butyl-4-heptyl-bicyclohexyl-4-carbonitrile | Nematel GmbH & Co. KG | Custom-made | |
| UV-O3 cleaner | Technovision Inc. | UV-208 | |
| Hot-stage system | Mettler Toledo | HS82 | |
| High-Definition Color Camera Head | Nikon | DS-Fi1 | |
| Impedance/gain-phase analyzer | Solartron Analytical | 1260 | |
| Indium Tin Oxide (ITO)-coated substrate | GEOMATEC Co. Ltd. | Custom-made |
Riferimenti
- Woltman, S. J., Jay, G. D., Crawford, G. P. Liquid-Crystal Materials Find a New Order in Biomedical Applications. Nat. Mater. 6 (12), 929-938 (2007).
- Carlton, R. J., et al. Chemical and Biological Sensing Using Liquid Crystals. Liq. Cryst.Rev. 1 (1), 29-51 (2013).
- Patel, J. S., Yokoyama, H. Continuous Anchoring Transition in Liquid Crystals. Nature. 362, 525-527 (1993).
- Senyuk, B., et al. Surface alignment, anchoring transitions, optical properties, and topological defects in the nematic phase of thermotropic bent-core liquid crystal A131. Phys Rev E. 82 (4 Pt 1), 041711 (2010).
- Bechhoefer, J., et al. Critical Behavior in Anchoring Transitions of Nematic Liquid Crystals. Phys. Rev. Lett. 64 (16), 1911-1914 (1990).
- Dhara, S., et al. Anchoring Transitions of Transversely Polar Liquid-Crystal Molecules on Perfluoropolymer Surfaces. Phys. Rev. E. 79 (6 Pt 1), 60701 (2009).
- Aya, S., et al. Stepwise heat-capacity change at an orientation transition in liquid crystals. Phys. Rev. E. 86 (2), 022512 (2014).
- Aya, S., et al. Thermodynamically Anchoring-Frustrated Surface to Trigger Bulk Discontinuous Orientational Transition. Langmuir. 32 (41), 10545-10550 (2016).
- Dhara, S., Madhusudana, N. V. Physical characterisation of 4′-butyl-4-heptyl-bicyclohexyl-4-carbonitrile. Phase Trans. 81 (6), 561-569 (2008).
- Dierking, I. . Textures of Liquid Crystals. , (2003).
- Perkowski, P., et al. Technical aspects of dielectric spectroscopy measurements of liquid crystals. Opto-Electronics Review. 16 (3), 271-276 (2008).
- Inaba, H. Nano-watt stabilized DSC and ITS applications. J Therm Anal Calorim. 79 (3), 605-613 (2005).
- Leveiller, F., Boehm, C., Jacquemain, D. Two-dimensional crystal structure of cadmium arachidate studied by synchrotron X-ray diffraction and reflectivity. Langmuir. 10 (3), 819-829 (1994).
- de Gennes, P. G., Prost, J. . The Physics of Liquid Crystals (Second Edition). , (1993).
- Aya, S., et al. Critical Behavior in an Electric-Field-Induced Anchoring Transition in a Liquid Crystal. Phys. Rev. E. 86 (1 Pt 1), 10701 (2012).
- Avrami, M. Kinetics of Phase Change. I General Theory. J. Chem. Phys. 7, 1103-1112 (1939).
- Avrami, M. Kinetics of Phase Change. II Transformation-Time Relations for Random Distribution of Nuclei. J. Chem. Phys. 8 (2), 212-224 (1939).
- Avrami, M. Granulation Phase Change, and Microstructure Kinetics of Phase Change. III. J. Chem. Phys. 9, 177-184 (1941).
- Sasaki, Y., et al. Distinctive Thermal Behavior and Nanoscale Phase Separation in the Heterogeneous Liquid- Crystal B4 Matrix of Bent-Core Molecules. Phys. Rev. Lett. 107 (23), 237802 (2011).
