Kontrastreich und schnelles photorheologisches Schalten eines Twist-Bend Nematic Flüssigkristalls
Summary
Dieses Protokoll zeigt die Herstellung eines photorheologischen Materials, das eine feste Phase, verschiedene flüssige kristalline Phasen und eine isotrope Flüssigphase durch Temperaturerhöhung aufweist. Hier werden Methoden zur Messung der Strukturviskoelastizitätsbeziehung des Materials vorgestellt.
Abstract
Intelligente viskoelastische Materialien, die auf spezifische Reize reagieren, gehören zu den attraktivsten Materialklassen, die für zukünftige Technologien wichtig sind, wie z. B. schaltbare Haftungstechnologien auf Abruf, Aktoren, molekulare Kupplungen und nano-/mikroskopische Masse. Transporter. Kürzlich wurde festgestellt, dass durch einen speziellen Fest-Flüssig-Übergang rheologische Eigenschaften signifikante Veränderungen aufweisen können, wodurch geeignete intelligente viskoelastische Materialien zur Verfügung gestellt werden. Das Entwerfen von Materialien mit einer solchen Eigenschaft ist jedoch komplex, und die Schaltzeiten nach vorne und rückwärts sind in der Regel lang. Daher ist es wichtig, neue Arbeitsmechanismen zu erforschen, um Fest-Flüssig-Übergänge zu realisieren, die Schaltzeit zu verkürzen und den Kontrast der rheologischen Eigenschaften während des Schaltens zu verbessern. Hierbei wird ein lichtinduzierter kristall-flüssiger Phasenübergang beobachtet, der sich durch Polarisationslichtmikroskopie (POM), Photorheometrie, Photodifferenzial-Scanning-Kalorimetrie (Photo-DSC) und Röntgenbeugung (XRD) auszeichnet. Der lichtinduzierte kristall-flüssige Phasenübergang weist Schlüsselmerkmale wie (1) schnelles Schalten von kristall-flüssigen Phasen für Vorwärts- und Rückwärtsreaktionen und (2) ein hohes Kontrastverhältnis der Viskoelastizität auf. In der Charakterisierung ist POM vorteilhaft, wenn es darum geht, Informationen über die räumliche Verteilung von LC-Molekülausrichtungen anzubieten, die Art der im Material erscheinenden flüssigen kristallinen Phasen zu bestimmen und die Ausrichtung von LCs zu untersuchen. ermöglicht die Messung der rheologischen Eigenschaften eines Materials unter Lichtreizen und kann die photorheologischen Schalteigenschaften von Materialien aufdecken. Photo-DSC ist eine Technik zur Untersuchung thermodynamischer Informationen von Materialien in Dunkelheit und unter Lichtbestrahlung. Schließlich ermöglicht XRD das Studium mikroskopischer Strukturen von Materialien. Das Ziel dieses Artikels ist es, klar darzustellen, wie die diskutierten Eigenschaften eines photorheologischen Materials vorbereitet und gemessen werden können.
Introduction
Intelligente mechanische Materialien, die ihre viskoelastischen Eigenschaften als Reaktion auf Umweltschwankungen verändern können, haben bei den Forschern ein enormes Interesse geweckt. Die Umschaltbarkeit gilt als wichtigster Materialfaktor, der eine robustheit der repetitiven mechanischen Reaktion in lebenden Organismen bietet. Bis heute wurden künstlich schaltbare Materialien mit vielseitigen Funktionen durch den Einsatz von weicher Materie (z. B. photoresponsive Hydrogele1,2,3, Polymere4,5, 6,7,8,9,10,11, Flüssigkristalle [LCs]9,10,11, 12,13,14,15,16,17, pH-responsive Mizellen18,19,20 ,21,22und Tenside23). Diese Materialien leiden jedoch unter mehr als einem der folgenden Probleme: mangelnde Reversibilität, geringes Schaltkontrastverhältnis der Viskoelastizität, geringe Anpassungsfähigkeit und langsame Schaltgeschwindigkeit. Bei herkömmlichen Werkstoffen besteht ein Kompromiss zwischen dem Schaltkontrastverhältnis viskoelastizität und der Schaltgeschwindigkeit; Daher ist die Konstruktion von Materialien, die alle diese Kriterien mit hoher Leistung abdecken, eine Herausforderung. Um Materialien mit der oben genannten Allfähigkeit zu realisieren, ist die Auswahl oder Konstruktion von Molekülen, die auftauchende Naturen sowohl von hoher Fließfähigkeit (viskose Eigenschaft) als auch Steifigkeit (elastische Eigenschaft) tragen, unerlässlich.
Flüssigkristalle sind ideale Systeme mit einer potenziell großen Anzahl flüssiger kristalliner und fester Phasen, die durch molekulares Design abgestimmt werden können. Dies ermöglicht selbstgebaute Strukturen in unterschiedlichen Längenskalen in bestimmten LC-Phasen. Während beispielsweise hochsymmetrische nematische LCs (NCS) aufgrund ihrer räumlichen Anordnung mit geringem Umfang eine niedrige Viskosität und Elastizität aufweisen, weisen kolosarische oder smectische LCs eine hohe Viskosität und Elastizität aufgrund ein- und zweidimensionaler Langbereichs- Periodizitäten. Wenn LC-Materialien zwischen zwei Phasen mit großen Unterschieden in ihren viskoelastischen Eigenschaften umgeschaltet werden können, kann ein viskoelastisches intelligentes Material mit hoher Leistung erreicht werden. Einige Beispiele wurden berichtet9,10,11,12,13,14,15.
Dieser Artikel zeigt die Herstellung eines photorheologischen LC-Materials mit einer Phasensequenz isotroper (I)-nematischer (N)-Twist-Biege-Nematic (TB)24-Kristall(Cry) beim Abkühlen (und umgekehrt beim Erhitzen), das schnell und reversibel aufweist. viskoelastische Schaltung als Reaktion auf Licht. Hier werden die Methoden zur Messung der Viskoelastizität und eine Darstellung der mikroskopischen Struktur-Viskoeelastizitätsbeziehung vorgestellt. Einzelheiten werden in den repräsentativen Ergebnissen und Diskussionsabschnitten beschrieben.
Protocol
Representative Results
Discussion
Wie aus Abbildung 1hervorgeht, ist CB6OABOBu ein fotoresponsives Material mit I-, N-, TB- und Cry-Phasensequenzen beim Abkühlen. Da sich die lokale Reihenfolge dieser Phasen erheblich unterscheidet, wird erwartet, dass die photogesteuerte Umschaltung rheologischer Eigenschaften einen guten viskoelastischen Kontrast aufweist. Um dies quantitativ zu untersuchen, wurden photorheologische Messungen durchgeführt.
Zunächst betrachten wir die rheologischen Daten, die …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde durch das bilaterale gemeinsame Forschungsprojekt HAS-JSPS unterstützt. Die finanzielle Unterstützung durch die Zuschüsse NKFIH PD 121019 und FK 125134 wird anerkannt.
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 |
Riferimenti
- 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).
