Ориентационный переход в жидком кристалле, инициированный термодинамическим ростом межфазных смачивающих листов
Summary
Здесь мы представляем протокол для инициирования ориентационного перехода жидкого кристалла в ответ на температуру. Описаны методологии для подготовки выборки для наблюдения за переходным процессом и детальной переходной эволюцией.
Abstract
В физикохимии жидких кристаллов молекулы вблизи поверхности играют большую роль в управлении объемной ориентацией. До настоящего времени, главным образом для достижения желаемых состояний молекулярной ориентации в ЖК-дисплеях, интенсивно изучалось «статическое» свойство поверхности ЖК, так называемое поверхностное закрепление. Как правило, после того, как начальная ориентация ЖК «заперта» особыми обработками поверхности, такими как натирание или обработка специальным выравнивающим слоем, она практически не изменяется с температурой. Здесь мы представляем систему, показывающую ориентационный переход при изменении температуры, что противоречит консенсусу. Прямо на переходе молекулы объемного ЖК испытывают ориентационное вращение, причем 90 ° между плоской (Р) ориентацией при высоких температурах и вертикальной (V) ориентацией при низких температурах в переходном режиме первого порядка. Мы отслеживали поведение термодинамического поверхностного сцепления с помощью поляризационной оптической микроскопии (POM), диэлектрической спектроскопии (DS), дифференциальной сканирующей калориметрии с высоким разрешением (HR-DSC) и рентгеновской дифракции скользящего падения (GI-XRD) и достигла правдоподобного физического объяснения: что переход инициируется ростом поверхности Смачивающие листы, которые накладывают ориентацию V локально на ориентацию P в объеме. Этот ландшафт обеспечит общее звено, объясняющее, как ориентация равновесной массы влияет на локализованную поверхность ориентации во многих системах LC. В нашей характеристике POM и DS полезны, предлагая информацию о пространственном распределении ориентации молекул LC. HR-DSC предоставляет информацию о точной термодинамической информации о переходах, которая не может быть решена с помощью обычных инструментов DSC из-за ограниченного разрешения. GI-XRD предоставляет информацию о поверхностно-ориентированной молекулярной ориентации и ближнем порядке. Цель этой статьи – представить протокол для подготовки образца,И продемонстрировать, как термодинамические структурные изменения, как в объеме, так и на поверхностях, могут быть проанализированы с помощью вышеупомянутых методов.
Introduction
В последние годы растет интерес к изучению того, как динамические молекулярные особенности и структуры поверхностных молекул в ответ на внешние раздражители могут влиять на объемную ориентацию материалов в LC-состояниях. Одним из примеров является использование биодатчиков LC в качестве нового применения LC 1 , 2 . Для количественной оценки того, сколько целевых биологических видов обнаружено, важно знать, как межфазные LCs, контактирующие с присоединенными молекулами-мишенями, изменяются и эволюционируют, одновременно обнаруживая и как они переносят / переводят свои свойства в массу.
Используя модели для получения этих ответов, мы начали с систем, которые имеют поверхностную молекулярную ориентацию и ближний порядок, изменяющийся термодинамически. Эти системы позволяют нам систематически сопоставлять изменения ориентации и упорядочения поверхности с полученной объемной ориентацией. Недавно мы обнаружили несколько систем ЖК, которые демонстрируютРиентационных переходах, где спонтанная объемная молекулярная ориентация изменяется с температурой. В принципе ориентационные переходы можно разделить на квази-второго порядка 3 , 4 или переход квази-первого порядка 5 , 6 , 7 , 8 . Первая из них сопровождается непрерывной объемной молекулярной переориентацией при изменении температуры, в то время как последняя демонстрирует разрывную. В этой статье мы описываем ориентационный переход в квазипорядке между P и V ориентационными состояниями. Это происходит в одной нематической (N) фазе, изменяя температуру. Подробная информация будет представлена в репрезентативных результатах и обсуждении.
Поскольку ориентационное изменение объема должно определяться изменением ориентации поверхностной молекулы и короткимУпорядочения, очевидно, что эта система может потенциально дать представление о том, как термодинамические изменения в поверхностной молекулярной ориентации и ближнем порядке влияют на объемную ориентацию. В этой статье, с целью понимания вышеупомянутых проблем, мы рассмотрели три проблемы с использованием четырех дополнительных методов ( например, POM, DS, HR-DSC и GI-XRD): (1) Как выглядит ориентационный переход? (2) Является ли ориентационный переход термически детектируемым? (3) Почему и как происходит ориентационный переход?
Protocol
Representative Results
Discussion
10x POM-изображения, полученные с использованием LC-ячейки с 5 μм ( рис. 1a и b ), ясно показывают, что ориентационное состояние объемных молекул LC проходит между ориентациями P и V при изменении температуры в первом порядке. Это отмечено процессами зарождения и роста доменов, ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана грантом JSPS KAKENHI номер 16H06037. Мы искренне благодарим д-ра Юдзи Сасаки в Университете Хоккайдо за техническую помощь 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 |
References
- 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).
