Nuevas técnicas para la observación de la dinámica estructural de los cristales líquidos Photoresponsive
Summary
Aquí, presentamos los protocolos de análisis de la detección diferencial de tiempo resuelto infrarrojo vibracionales espectroscopía electrónica difracción y que permiten observaciones de las deformaciones de las estructuras locales alrededor de las moléculas fotoexcitado en un cilíndrico cristal líquido, dando un punto de vista atómico sobre la relación entre la estructura y la dinámica de este material fotoactivos.
Abstract
En este artículo discutimos las mediciones experimentales de las moléculas en la fase de cristal líquido (LC) utilizando la Espectroscopía Vibracional tiempo resuelto infrarrojo (IR) y difracción del electrón de tiempo resuelto. Fase de cristal líquido es un estado importante de la materia que existe entre las fases sólidas y líquidas y es común en los sistemas naturales, así como en electrónica orgánica. Los cristales líquidos son orientationally ordenó pero embalados libremente, y por lo tanto, las conformaciones internas y alineamiento de los componentes moleculares del LCs puede ser modificada por estímulos externos. Aunque avanzado tiempo resuelto técnicas de difracción han revelado dinámica molecular picosegundo escala de monocristales y policristales, observaciones directas de Embalaje estructuras y dinámica ultrarrápida de materiales blandos se han visto obstaculizados por borrosas patrones de difracción. Aquí, divulgamos tiempo resuelto IR espectroscopia vibracional y difractometría de electrones para adquirir instantáneas ultrarrápidas de un material de LC columnar teniendo una molécula núcleo fotoactivos. Análisis de la detección diferencial de la combinación de tiempo resuelven espectroscopia vibracional IR y difracción del electrón son poderosas herramientas para la caracterización de las estructuras y dinámicas fotoinducida de materiales blandos.
Introduction
Cristales líquidos (LCs) con una variedad de funciones y son ampliamente utilizados en aplicaciones científicas y tecnológicas1,2,3,4,5,6. El comportamiento de LCs puede atribuirse a su orientador ordenar así como a la gran movilidad de sus moléculas. Una estructura molecular de los materiales de LC se caracteriza típicamente por un suple y cadenas de carbono largas flexibles que garantizan la alta movilidad de las moléculas de LC. Bajo estímulos externos7,8,9,10,11,12,13,14,15 , tales como luz, campos eléctricos, cambios de temperatura o presión mecánica, pequeño intra e intermolecular de las propuestas la LC las moléculas causa estructural drástico reordenamiento en el sistema, llevando a su comportamiento funcional. Para entender las funciones de los materiales de LC, es importante determinar la estructura a escala molecular en la fase del LC e identificar los movimientos claves de las conformaciones moleculares y deformaciones de embalaje.
Difracción de rayos x (DRX) es empleado comúnmente como una poderosa herramienta para la determinación de las estructuras de los materiales de LC16,17,18. Sin embargo, el patrón de difracción que origina de un núcleo de estímulos-respuesta funcional a menudo es encubierto por un patrón de amplio halo de las cadenas de carbono largas. Análisis por difracción de tiempo resuelto, que permite observaciones directas de la dinámica molecular usando fotoexcitan proporciona una solución eficaz a este problema. Esta técnica extrae información estructural sobre la molécula aromática de photoresponsive usando las diferencias entre los patrones de difracción obtenidos antes y después de fotoexcitan. Estas diferencias proporcionan los medios para eliminar el ruido de fondo y observar directamente los cambios estructurales de interés. Análisis de los patrones de difracción diferencial revelan las señales moduladas de la molécula fotoactivas de solo, de tal modo excepto la difracción perjudicial de las cadenas de carbono no photoresponsive. Se proporciona una descripción de este método de análisis por difracción diferencial en Hada, M. et al19.
Mediciones de difracción resueltos de tiempo pueden proporcionar la información estructural sobre los reordenamientos atómicos que ocurren durante la transición de fase en materiales20,21,,,2223, 24 , 25 , 26 , 27 , 28 , 29 química reacciones entre moléculas30,31,32,33,34. Con estas aplicaciones en mente, notables progresos en el desarrollo de ultrabright y pulsos ultracortos rayos x35,36 y electrónica37,38,39 , 40 fuentes. Sin embargo, difracción de tiempo resuelto sólo se aplica a moléculas simples, aisladas o a single – o poli-cristales, en que ordenó altamente inorgánico enrejado o moléculas orgánicas producen patrones de difracción bien resuelto proporcionando estructural información. Por el contrario, se han visto obstaculizados ultrarrápidos análisis estructurales de los materiales blandos más complejos debido a sus fases menos ordenados. En este estudio, se demuestra el uso de difracción de electrones de tiempo resuelto como espectroscopia de absorción transitoria y Espectroscopía Vibracional tiempo resuelto infrarrojo (IR) para caracterizar la dinámica estructural de fotoactivos materiales de LC, el uso de este extraído de difracción metodología19.
Protocol
Representative Results
Discussion
El paso crucial del proceso durante las mediciones de la difracción de electrones de tiempo resuelto es mantener la tensión alta (75 keV) sin fluctuación actual desde la distancia entre el fotocátodo y el ánodo la placa es sólo ~ 10 mm. Si la corriente fluctúa por encima del rango de 0.1 μA antes o durante los experimentos, aumentar el voltaje de aceleración hasta 90 keV descarga y otra vez a 75 keV. Este proceso de acondicionamiento debe hacerse hasta que la corriente fluctúa en el rango de 0.1 μA. El diseño…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Agradecemos al Dr. S. Tanaka en el Tokyo Institute of Technology para mediciones de Espectroscopía Vibracional IR tiempo resuelto y Prof. M. Hara y Dr. K. Matsuo en Universidad de Nagoya para mediciones de DRX. También agradecemos a Prof. S. Yamaguchi en la Universidad de Nagoya, Prof. R. Herges en la Universidad de Kiel y Prof. R. J. D. Miller en el Instituto Max Planck para la estructura y dinámica de la materia para discusión valiosa.
Este trabajo es apoyado por la tecnología japonesa de ciencia (TJS), PRESTO, para la financiación de los proyectos “tecnología Molecular y creación de nuevas funciones” (número de concesión de JPMJPR13KD, JPMJPR12K5 y JPMJPR16P6) y “Conversión química de energía de la luz”. Este trabajo es también parcialmente apoyado por JSP Grant números JP15H02103, JP17K17893, JP15H05482, JP17H05258, JP26107004 y JP17H06375.
Materials
| Chirped pulse amplifier | Spectra Physics Inc. | Spitfire ACE | For time-resolved IR vibration spectroscopy |
| Chirped pulse amplifier | Spectra Physics Inc. | Spitfire XP | For time-resolved electron diffractometry |
| Femtosecond laser | Spectra Physics Inc. | Tsunami | For time-resolved IR vibration spectroscopy |
| Femtosecond laser | Spectra Physics Inc. | Tsunami | For time-resolved electron diffractometry |
| Optical parametric amplifier | Light Conversion Ltd. | TOPAS prime | |
| 64-channel mercury cadmium tellurium IR detector array | Infrared Systems Development Corporation | FPAS-6416-D | |
| FT-IR spectrometer | Shimadzu Corporation | IR Prestige-21 | |
| High voltage supply | Matsusada precision | HER-100N0.1 | |
| Rotary pump | Edwards | RV12 | |
| Molecular turbo pumps | Agilent Technologies Japan, Ltd. | Twis Torr 304FS | |
| Vacuum gauges | Pfeiffer vacuum systems gmbh | PKR251 | For ICF70 flange |
| Vacuum monitors | Pfeiffer vacuum systems gmbh | TPG261 | |
| Fiber coupled CCD camera | Andor Technology Ltd. | iKon-L HF | |
| BaF2 and CaF2 substrates | Pier optics | Thickness 3 mm | |
| AgGaS2 crystal | Phototechnica Corporation | Custom-order | |
| BBO crystals | Tokyo Instruments, Inc. | SHG θ=29.2 deg THG θ=44.3 deg |
|
| calcite crystals | Tokyo Instruments, Inc. | Thickness 1mm | |
| Optical mirrors | Thorlabs | PF10-03-F01 PF10-03-M01 UM10-45A |
Al coat mirrors Au coat mirrors Ultrafast mirrors |
| Optical mirrors | HIKARI,Inc. | Broadband mirrors | |
| Dichroic mirrors | HIKARI,Inc. | Custom-order Reflection: 266 nm Transmission: 400, 800 nm |
|
| Optical chopper | Newport Corporation | 3501 optical chopper | |
| Optical shutters | Thorlabs Inc. | SH05/M SC10 |
|
| Optical shutters | SURUGA SEIKI CO.,LTD. | F116-1 | |
| Beam splitters | Thorlabs Inc. | BSS11R | |
| Fused-silica lenses | Thorlabs Inc. | LA4663 LA4184 |
|
| BaF2 lens | Thorlabs Inc. | LA0606-E | |
| Polarized mirrors | Sigmakoki Co.,Ltd | Custom-order Designed for 800 nm Reflection: s-polarized light Transmission : p-polarized light |
|
| Half waveplate | Thorlabs Inc. | WPH05M-808 | |
| Mirror mounts | Thorlabs Inc. | POLARIS-K1 KM100 |
Kinematic mirror mounts |
| Mirror mounts | Sigmakoki Co.,Ltd | MHAN-30M MHAN-30S |
Gimbal mirror mounts |
| Mirror mounts | Newport Corporation | ACG-3K-NL | Gimbal mirror mounts |
| Variable ND filters | Thorlabs Inc. | NDC-25C-2M | |
| Beam splitter mounts | Thorlabs Inc. | KM100S | |
| Lens mounts | Thorlabs Inc. | LMR1/M | |
| Rotational mounts | Thorlabs Inc. | RSP1/M | |
| Retroreflector | Edmund Optics | 63.5MM X 30" EN-AL | |
| spectrometers | ocean photonics | USB-4000 | |
| Power meter | Ophir | 30A-SH | Used for intensity monitor of CPA |
| Power meter | Thorlabs Inc. | S120VC PM100USB |
Used for intensity measurements of pump pulse |
| Photodiodes | Thorlabs Inc. | DET36A/M DET25K/M |
|
| DC power supply | TEXIO | PW18-1.8AQ | Used for magnetic lens |
| Magnetic lens | Nissei ETC Co.,Ltd | Custom-order | |
| Stages | Newport Corporation | M-MVN80V6 LTAHLPPV6 |
Used for magnetic lens |
| Stage controller | Newport Corporation | SMC100 | |
| Stages | Sigmakoki Co.,Ltd | SGSP20-35(X) SGSP20-85(X) |
Used for sample position |
| Stages | Sigmakoki Co.,Ltd | SGSP26-200(X) OSMS26-300(X) |
Used for delay time generator |
| Stage controller | Sigmakoki Co.,Ltd | SHOT-304GS | |
| Picoammeter | Laboratory built | ||
| spin coater | MIKASA Co.,Ltd | 1H-D7 | |
| hot plate | IKA® | C-MAG HP7 | |
| SiN wafer | Silson Ltd | Custom-order | |
| KOH aqueous solution (50%) | Hiroshima Wako Co.,Ltd. | 168-20455 | |
| Chloroform | Hiroshima Wako Co.,Ltd. | 038-18495 | |
| Dichloromethane | Hiroshima Wako Co.,Ltd. | 132-02456 | |
| Personal computers for the controlling programs | Epson Corporate | Endeavor MR7300E-L | 32-bit operation system |
| Program for the control the equipment | National Instruments Corporation | Labview2016 | |
| Program for the data analysis | The MathWorks, Inc. | Matlab2015b |
References
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