Changement photorhéologique rapide et à contraste élevé d'un cristal liquide nematique Twist-Bend
Summary
Ce protocole démontre la préparation d’un matériau photorhéologique qui présente une phase solide, diverses phases cristallines liquides, et une phase liquide isotrope en augmentant la température. Présentés ici sont des méthodes pour mesurer la relation structure-viscoélasticité du matériau.
Abstract
Les matériaux viscoélastiques intelligents qui répondent à des stimuli spécifiques sont l’une des classes de matériaux les plus attrayantes pour les technologies futures, telles que les technologies d’adhérence commutable à la demande, les actionneurs, les embrayages moléculaires et la masse nano/microscopique Transporteurs. Récemment, il a été constaté que grâce à une transition spéciale solide-liquide, les propriétés rhéologiques peuvent présenter des changements importants, fournissant ainsi des matériaux viscoélastiques intelligents appropriés. Cependant, la conception de matériaux avec une telle propriété est complexe, et les temps de commutation vers l’avant et vers l’arrière sont généralement longs. Par conséquent, il est important d’explorer de nouveaux mécanismes de travail pour réaliser des transitions solides-liquides, raccourcir le temps de commutation, et améliorer le contraste des propriétés rhéologiques pendant la commutation. Ici, on observe une transition de phase cristal-liquide induite par la lumière, qui se caractérise par une microscopie lumineuse polarisante (POM), une photorhéométrie, une calorimétrie de balayage photo-différentiel (photo-DSC) et une diffraction aux rayons X (XRD). La transition de phase cristal-liquide induite par la lumière présente des caractéristiques clés telles que (1) commutation rapide des phases cristal-liquide pour les réactions avant et arrière et (2) un rapport de contraste élevé de viscoélasticité. Dans la caractérisation, POM est avantageux en offrant des informations sur la distribution spatiale des orientations des molécules LC, en déterminant le type de phases cristallines liquides apparaissant dans le matériau, et en étudiant l’orientation des LC. Photorheométrie permet de mesurer les propriétés rhéologiques d’un matériau sous des stimuli lumineux et peut révéler les propriétés de commutation photorhéologique des matériaux. Photo-DSC est une technique pour étudier l’information thermodynamique des matériaux dans l’obscurité et sous l’irradiation de lumière. Enfin, XRD permet d’étudier les structures microscopiques des matériaux. Le but de cet article est de présenter clairement comment préparer et mesurer les propriétés discutées d’un matériau photorhéologique.
Introduction
Les matériaux mécaniques intelligents ayant la capacité de modifier leurs propriétés viscoélastiques en réponse aux variations environnementales ont suscité un énorme intérêt chez les chercheurs. La commutation est considérée comme le facteur matériel le plus important, qui offre la robustesse de la réponse mécanique répétitive chez les organismes vivants. À ce jour, les matériaux commutables artificiels avec des fonctions polyvalentes ont été conçus en utilisant la matière molle (c.-à-d., hydrogels photoresponsive1,2,3, polymères4,5, 6,7,8,9,10,11, cristaux liquides [LCs]9,10,11, 12,13,14,15,16,17, pH-sensiblemicelles18,19,20 ,21,22, et les surfactants23). Cependant, ces matériaux souffrent de plus d’un des problèmes suivants : manque de réversibilité, faible rapport de contraste de commutation de viscoélasticité, faible adaptabilité et vitesse de commutation lente. Dans les matériaux conventionnels, il existe un compromis entre le rapport de contraste de commutation de la viscoélasticité et la vitesse de commutation; par conséquent, il est difficile de concevoir des matériaux couvrant tous ces critères à haute performance. Pour réaliser des matériaux avec l’omnicapacité susmentionnée, la sélection ou la conception de molécules qui portent des natures émergentes de haute fluidité (propriété visqueuse) et de rigidité (propriété élastique) est essentielle.
Les cristaux liquides sont des systèmes idéaux avec un nombre potentiellement élevé de phases cristallines et solides liquides qui peuvent être réglés par la conception moléculaire. Cela permet des structures auto-assemblées à différentes échelles de longueur en particulier les phases LC. Par exemple, alors que les LC nématiques à haute symétrie (LLC) présentent une faible viscosité et une faible élasticité en raison de leur ordre spatial à courte portée, les LC colonnenaires ou smectiques à faible symétrie présentent une viscosité et une élasticité élevées en raison d’une et deux dimensions à longue portée. périodicités. On s’attend à ce que si les matériaux LC peuvent être commutés entre deux phases avec de grandes différences dans leurs propriétés viscoélastiques, alors un matériel intelligent viscoélastique avec la haute performance peut être réalisé. Quelques exemples ont été rapportés9,10,11,12,13,14,15.
Cet article démontre la préparation d’un matériel photorhéologique LC avec une séquence de phase de isotropic (I)-nematic (N)-twist-bend nématic (TB)24-crystal (Cry) au refroidissement (et vice versa au chauffage), qui montre rapide et réversible viscoélastique en réponse à la lumière. Présentés ici sont les méthodes pour mesurer la viscoélasticité et une illustration de la structure microscopique-viscoécité relation. Les détails sont décrits dans les sections des résultats et des discussions représentatives.
Protocol
Representative Results
Discussion
Comme l’a révélé la figure 1, CB6OABOBu est un matériau photo-réactif avec des séquences de phase I, N, TB et Cry au refroidissement. Étant donné que la commande locale de ces phases diffère considérablement, on s’attend à ce que la commutation photo-conduite des propriétés rhéologiques montre le bon contraste viscoélastique. Pour étudier quantitativement ceci, des mesures de photo-rheologie ont été exécutées.
Tout d’abord, nous considérons le…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par le projet de recherche conjoint bilatéral HAS-JSPS. Le soutien financier des subventions NKFIH 121019 et FK 125134 est reconnu.
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 |
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