Orientationaler Übergang in einem Flüssigkristall, der durch das thermodynamische Wachstum von Grenzflächenbetonplatten ausgelöst wird
Summary
Hier stellen wir ein Protokoll vor, um einen Orientierungsübergang eines Flüssigkristalls in Abhängigkeit von der Temperatur auszulösen. Es werden Methoden für die Vorbereitung einer Probe beschrieben, um den Übergang und die detaillierte Übergangsentwicklung zu beobachten.
Abstract
In der Flüssigkristall- (LC) -Physikalischen Chemie spielen Moleküle in der Nähe der Oberfläche eine große Rolle bei der Kontrolle der Bulk-Orientierung. So weit, vor allem um die gewünschten molekularen Orientierungszustände in LC-Displays zu erreichen, wurde die "statische" Oberflächeneigenschaft von LCs, so genannte Oberflächenverankerung, intensiv untersucht. Als Faustregel gilt, sobald die anfängliche Orientierung der LCs durch spezifische Oberflächenbehandlungen, wie Reiben oder Behandlung mit einer bestimmten Ausrichtungsschicht, "verriegelt" ist, ändert sie sich kaum mit der Temperatur. Hier präsentieren wir ein System, das einen Orientierungsübergang bei Temperaturschwankungen aufweist, der mit dem Konsens in Konflikt steht. Direkt am Übergang erleben die Bulk-LC-Moleküle die Orientierungsdrehung mit 90 ° zwischen der planaren (P) Orientierung bei hohen Temperaturen und der vertikalen (V) Orientierung bei niedrigen Temperaturen in der Übergangsweise erster Ordnung. Wir haben das thermodynamische Oberflächenverankerungsverhalten mittels polarisierender optischer Mikroskopie verfolgt (S.OM), dielektrische Spektroskopie (DS), hochauflösende Differential-Scanning-Kalorimetrie (HR-DSC) und Weide-Röntgenbeugung (GI-XRD) und erreichten eine plausible physikalische Erklärung: dass der Übergang durch ein Flächenwachstum ausgelöst wird Benetzungsblätter, die die V-Orientierung lokal gegen die P-Orientierung in der Masse auferlegen. Diese Landschaft würde eine allgemeine Verknüpfung geben, die erklärt, wie die Gleichgewichts-Bulk-Orientierung von der oberflächenorientierten Orientierung in vielen LC-Systemen beeinflusst wird. In unserer Charakterisierung sind POM und DS vorteilhaft, indem sie Informationen über die räumliche Verteilung der Orientierung von LC-Molekülen liefern. HR-DSC gibt Auskunft über die präzisen thermodynamischen Informationen über Übergänge, die durch konventionelle DSC-Geräte aufgrund begrenzter Auflösung nicht angesprochen werden können. GI-XRD informiert über die oberflächenspezifische molekulare Orientierung und Kurzstreckenordnungen. Das Ziel dieser Arbeit ist es, ein Protokoll für die Vorbereitung einer Probe, die die Transi zeigt, zu präsentierenUm zu zeigen, wie die thermodynamische Strukturvariation sowohl in der Masse als auch auf den Oberflächen durch die oben genannten Methoden analysiert werden kann.
Introduction
In den letzten Jahren gab es zunehmendes Interesse daran, wie dynamische molekulare Merkmale und Strukturen von Oberflächenmolekülen in Reaktion auf externe Reize die Massenorientierung von Materialien in LC-Zuständen beeinflussen könnten. Ein Beispiel ist, LC-Biosensoren als neue Anwendung von LCs 1 , 2 zu verwenden. Um zu quantifizieren, wie viele Ziel-Bio-Spezies erkannt werden, ist es wichtig zu wissen, wie sich die Grenzflächen-LCs, die mit adhärierenden Zielmolekülen in Kontakt kommen, verändern und sich entwickeln, während sie auch erkennen und wie sie ihre Eigenschaften in die Masse übertragen / übersetzen.
Mit Modellen, um diese Antworten zu verfolgen, begannen wir mit Systemen, die ihre Oberflächen molekularen Orientierung und Kurzstreckenordnungen thermodynamisch variieren. Diese Systeme erlauben es uns, die Änderungen der Oberflächenorientierung und der Ordnungen mit der daraus resultierenden Massenorientierung systematisch zu korrelieren. In letzter Zeit fanden wir mehrere LC-Systeme, die oRientationalen Übergängen, bei denen sich eine spontane molekulare Molekülorientierung mit der Temperatur ändert. Grundsätzlich können Orientierungsübergänge entweder in quasi-zweiter Ordnung 3 , 4 oder quasi-erster Ordnung 5 , 6 , 7 , 8 kategorisiert werden. Erstere begleitet von einer kontinuierlichen molekularen Umorientierung bei Temperaturänderungen, während die letztere eine diskontinuierliche zeigt. In diesem Artikel beschreiben wir einen Orientierungsübergang in quasi-erster Ordnung zwischen den P- und den V-Orientierungszuständen. Es verläuft in der einzigen nematischen (N) Phase durch Änderung der Temperatur. Details werden in den repräsentativen Ergebnissen und der Diskussion zur Verfügung gestellt.
Da die Orientierungsänderung in der Masse durch eine Veränderung der Oberflächenmolekularorientierung und Kurzschluss bestimmt werden sollte-Anordnungen ist es offensichtlich, dass dieses System potenziell Einblicke darüber geben kann, wie sich die thermodynamische Variation der Oberflächenmolekularorientierung und der Kurzstreckenordnung auf die Massenorientierung auswirkt. In diesem Artikel haben wir mit dem Ziel, die oben erwähnten Fragen zu verstehen, drei Probleme mit vier komplementären Methoden ( dh POM, DS, HR-DSC und GI-XRD) in Angriff genommen: (1) Wie sieht der Orientierungsübergang aus? (2) Ist der Orientierungsübergang thermisch erkennbar? (3) Warum und wie kommt der Orientierungsübergang zustande?
Protocol
Representative Results
Discussion
Die 10x POM-Bilder, die unter Verwendung einer 5-μm-LC-Zelle aufgenommen wurden ( Fig. 1a und b ) zeigen deutlich, daß der Orientierungszustand der Bulk-LC-Moleküle zwischen der P- und der V-Orientierung bei einer Temperaturänderung in einer Weise erster Ordnung transitiert. Dies ist durch die Domänen-Keimbildung und Wachstumsprozesse gekennzeichnet, wobei eine neue Orientierung von der ursprünglichen Orientierung um 90 ° abweicht. Die Übergangstemperaturen bei Kühlung und Erw?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde von JSPS KAKENHI Grant Nummer 16H06037 unterstützt. Wir danken Dr. Yuji Sasaki in der Hokkaido Universität für technische Unterstützung für 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).
