Orienterende overgang i en flydende krystal udløst af den termodynamiske vækst af grænseflader
Summary
Her præsenterer vi en protokol for at udløse en orienterende overgang af en flydende krystal som reaktion på temperaturen. Metodologier er beskrevet til fremstilling af en prøve for at observere overgangen og den detaljerede overgangsevolution.
Abstract
I flydende krystal (LC) fysisk kemi spiller molekyler nær overfladen en stor rolle i styringen af bulkorientering. Hidtil har det primært været at undersøge den "statiske" overfladeegenskab af LC'er, såkaldt overfladeforankring, primært for at opnå ønskede molekylære orienteringstilstande i LC-skærme. Som en tommelfingerregel, når først den oprindelige orientering af LC'er er "låst" ved specifikke overfladebehandlinger, såsom gnidning eller behandling med et specifikt tilpasningslag, ændres det næppe med temperatur. Her præsenterer vi et system, der udviser en orienterende overgang ved temperaturvariation, hvilket strider mod konsensus. LC-molekylerne er lige ved overgangen, orienteringsrotationen 90 ° mellem den plane (P) orientering ved høje temperaturer og den vertikale (V) orientering ved lave temperaturer i førsteordens overgangsmetode. Vi har sporet termodynamisk overfladeforankringsadfærd ved hjælp af polariserende optisk mikroskopi (POM), dielektrisk spektroskopi (DS), højopløsningsscanningskalorimetri (HR-DSC) og græsningsdiffusion (GI-XRD) og nået en sandsynlig fysisk forklaring: at overgangen udløses af en vækst af overfladen Befugtning ark, som pålægger V orientering lokalt mod P orientering i bulk. Dette landskab ville tilvejebringe en generel forbindelse, der forklarer, hvordan ligevægts-masseorienteringen påvirkes af overflade-lokaliseret orientering i mange LC-systemer. I vores karakterisering er POM og DS fordelagtige ved at tilbyde information om den rumlige fordeling af orienteringen af LC molekyler. HR-DSC giver information om de præcise termodynamiske oplysninger om overgange, som ikke kan behandles af konventionelle DSC instrumenter på grund af begrænset opløsning. GI-XRD giver information om overflade-specifik molekylær orientering og kort rækkefølgen. Formålet med dette papir er at præsentere en protokol til fremstilling af en prøve, der udviser transiOg at vise, hvordan den termodynamiske strukturvariation, både i bulk og på overflader, kan analyseres ved hjælp af ovennævnte metoder.
Introduction
I de senere år har der været en stigende interesse for at lære, hvordan dynamiske molekylære træk og strukturer af overflademolekyler som reaktion på ydre stimuli kan påvirke masseorientering af materialer i LC-tilstande. Et eksempel er at bruge LC biosensorer som en ny applikation af LCs 1 , 2 . For at kvantificere, hvor mange målbiologiske arter der er opdaget, er det vigtigt at vide, hvordan de grænsefladiske LC'er, som kontakter vedhæftede målmolekyler, ændrer sig og udvikler sig, samtidig med at de registrerer og hvordan de overfører / oversætter deres egenskaber til bulk.
Ved at bruge modeller til at forfølge disse svar begyndte vi med systemer, der har deres overflademolekylære orientering og kortvarige ordrer varierende termodynamisk. Disse systemer tillader os at korrelere ændringerne i overfladeorientering og ordre med den resulterende bulkorientering på en systematisk måde. For nylig fandt vi flere LC-systemer, der udviser oRientational overgange, hvor en spontan masse molekylær orientering ændres med temperatur. I princippet kan orienterende overgange kategoriseres i enten kvasi-second-order 3 , 4 eller quasi-first-order overgang 5 , 6 , 7 , 8 . Den førstnævnte ledsages af en kontinuerlig bulkmolekylær omorientering ved temperaturændringer, hvorimod sidstnævnte demonstrerer en diskontinuerlig en. I denne artikel beskriver vi en orienterende overgang på kvasi-første-ordens måde mellem P og V orienteringsstilstandene. Den fortsætter i den enkelte nematiske (N) fase ved at ændre temperaturen. Nærmere oplysninger vil blive givet i repræsentative resultater og diskussionen.
Da orienteringsændring i bulk skal styres af en ændring i overflademolekylær orientering og kort-rangerede ordrer, er det tydeligt, at dette system potentielt kan give indsigt i, hvordan den termodynamiske variation i overflademolekylær orientering og kortdistansbestillinger påvirker bulkorienteringen. I denne artikel har vi taget fat på tre problemer ved hjælp af fire komplementære metoder ( dvs. POM, DS, HR-DSC og GI-XRD) med det formål at forstå ovenstående problemer. (1) Hvordan ser orienteringsovergangen ud? (2) Er orienteringsovergangen termisk detekterbar? (3) Hvorfor og hvordan sker orienteringsovergangen?
Protocol
Representative Results
Discussion
De 10x POM-billeder taget ved anvendelse af en 5 μm LC-celle ( figur 1a og b ) viser klart, at orienteringsstaten for bulk-LC-molekylerne transitterer mellem P- og V-orienteringerne ved temperaturvariation på en førsteordens måde. Dette er markeret af domæne-nucleation og vækstprocesser, med en ny orientering, der afviger fra den oprindelige orientering ved 90 °. Overgangstemperaturerne ved afkøling og opvarmning er henholdsvis 321,5 K og 325,3 K. Da CCN47 har en dobbeltbrydning…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af JSPS KAKENHI tilskud nr. 16H06037. Vi takker oprigtigt Dr. Yuji Sasaki i Hokkaido University for teknisk assistance til 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).
