Vi præsenterer her, protokoller af differential-påvisning analyser af tidsopløst infrarød vibrationelle spektroskopi og elektron diffraktion, som aktiverer observationer af deformationer af lokale strukturer omkring photoexcited molekyler i en søjleformede flydende krystal, giver en atomic perspektiv på forholdet mellem strukturen og dynamikken i dette photoactive materiale.
Vi diskuterer i denne artikel de eksperimentelle målinger af molekylerne i flydende krystaller (LC) fase ved hjælp af tidsopløst infrarød (IR) vibrationelle spektroskopi og tidsopløst elektron diffraktion. Flydende krystal fase er en vigtig sag, der eksisterer mellem de faste og flydende faser og det er almindeligt i naturlige systemer såvel som i økologisk elektronik. Flydende krystaller er orientationally bestilt men løst pakket, og derfor, interne konformationer og tilpasninger af de molekylære komponenter af LCs kan ændres ved ekstern stimuli. Selv om avancerede tidsopløst diffraktion teknikker har afsløret Pico-skala molecular dynamics af enkelte krystaller og polycrystals, direkte observationer af pakning strukturer og ultrahurtig dynamikken i bløde materialer har været hæmmet af sløret diffraktion mønstre. Vi rapporterer her, tidsopløst vibrationelle IR-spektroskopi og elektron diffractometry at erhverve ultrahurtig snapshots af et kolonneformat LC materiale forsynet med en photoactive kerne gruppe. Differential-påvisning analyser af kombinationen af tidsopløst IR vibrationelle spektroskopi og elektron diffraktion er kraftfulde værktøjer til kendetegner strukturer og lysinducerede dynamikken i bløde materialer.
Flydende krystaller (LCs) har en række funktioner og er meget udbredt i videnskabelige og teknologiske applikationer1,2,3,4,5,6. LCs adfærd kan tilskrives deres orientational bestilling samt at deres molekyler høj mobilitet. En molekylær struktur af LC materialer er typisk karakteriseret ved en mesogen kerne og lang, fleksibel kulstof kæder, der sikrer høj mobilitet af LC molekyler. Under eksterne stimuli7,8,9,10,11,12,13,14,15 , såsom lys, elektriske felter, ændringer i temperatur eller mekanisk pres, lille intra- og intermolekylære beslutningsforslag af LC molekyler årsag drastiske strukturel omorganisering i system, fører til dets funktionelle opførsel. For at forstå funktionerne af LC materialer, er det vigtigt at bestemme den molekylære skala struktur i LC fase og identificere vigtige beslutningsforslag af molekylære konformationer og pakning deformationer.
Røntgen diffraktion (XRD) er almindeligvis ansat som et effektivt redskab til bestemmelse af strukturer af LC materialer16,17,18. Dog er diffraktionsmønster med oprindelse fra en funktionel stimuli-responderende kerne ofte skjult af en bred halo mønster fra lange kulstof kæder. En effektiv løsning på dette problem er fastsat af tidsopløst diffraktion analyse, som giver mulighed for direkte observationer af Molekylær dynamik ved hjælp af photoexcitation. Denne teknik ekstrakter strukturelle oplysninger om den photoresponsive aromatiske gruppe ved hjælp af forskellene mellem de diffraktion mønstre fremstillet før og efter photoexcitation. Disse forskelle giver middel til at fjerne baggrundsstøjen og direkte observere de strukturelle ændringer af interesse. Analyser af differential diffraktion mønstre afsløre de modulerede signaler fra den photoactive gruppe alene og dermed udelukke den skadelige diffraktion fra ikke-photoresponsive kulstof kæder. En beskrivelse af denne analysemetode differential diffraktion er fastsat i Herskind, M. mfl19.
Tidsopløst diffraktion målinger kan give strukturelle oplysninger om de atomare rearrangementer, der opstår under fase overgangen i materialer20,21,22,23, 24 , 25 , 26 , 27 , 28 , 29 og kemiske reaktioner blandt molekyler30,31,32,33,34. Med disse programmer i tankerne, der er gjort bemærkelsesværdige fremskridt i udviklingen af funklende og ultrakorte pulserende X-ray35,36 og elektron37,38,39 , 40 kilder. Dog tidsopløst diffraktion er kun blevet anvendt til simple, isolerede molekyler eller til enkelt – eller poly-krystaller, i stærkt beordrede uorganiske gitter eller organiske molekyler producerer godt løst diffraktion mønstre giver struktur oplysninger. Derimod har ultrahurtig strukturelle analyser af mere komplekse bløde materialer været hæmmet på grund af deres mindre ordnede faser. I denne undersøgelse demonstrere vi brugen af tidsopløst elektron diffraktion samt forbigående absorption spektroskopi og tidsopløst infrarød (IR) vibrationelle spektroskopi til at karakterisere den strukturelle dynamik af photoactive LC materialer ved hjælp af dette diffraktion-udvundet metode19.
De afgørende trin i processen under tidsopløst elektron diffraktion målingerne er at bevare den høje spænding (75 keV) uden nuværende udsving siden afstanden mellem fotokatode og anode plade er kun ~ 10 mm. Hvis aktuelt svinger over vifte af 0,1 µA før eller under forsøgene, øge acceleration spændingen op til 90 keV decharge og angive det igen til 75 keV. Denne konditionering proces der skal gøres, indtil nuværende svinger i rækken af 0,1 µA. Den passende design af elektron kilde med nok dielektrisk styrke…
The authors have nothing to disclose.
Vi takker Dr. S. Tanaka på Tokyo Institute of Technology for tidsopløst IR vibrationelle spektroskopi målinger og Prof. M. Hara og Dr. K. Matsuo på Nagoya University XRD målinger. Vi takker også Prof. S. Yamaguchi på Nagoya University, Prof. R. Herges ved Kiels Universitet og Prof. R. J. D. Miller på Max Planck Institute for struktur og dynamik af sagen for værdifuld diskussion.
Dette arbejde er støttet af japansk videnskab teknologi (JSO), PRESTO, til finansiering af projekter “molekylære teknologi og oprettelse af nye funktioner” (Grant antallet af JPMJPR13KD, JPMJPR12K5 og JPMJPR16P6) og “Kemisk omdannelse af lysenergi”. Dette arbejde er også delvist understøttet af JSP’ER Grant numre JP15H02103, JP17K17893, JP15H05482, JP17H05258, JP26107004 og JP17H06375.
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 |