מעבר אוריינטלי בקריסטל נוזלי המופעל על ידי הצמיחה התרמודינמית של גליונות הרטבה אינטרפסיאליים
Summary
כאן, אנו מציגים פרוטוקול כדי להפעיל מעבר אוריינטציה של גביש נוזלי בתגובה לטמפרטורה. מתודולוגיות מתוארות להכנת מדגם על מנת לבחון את המעבר ואת התפתחות המעבר המפורטת.
Abstract
ב גביש נוזלי (LC) כימיה פיסיקלית, מולקולות ליד פני השטח לשחק תפקיד גדול בשליטה על אוריינטציה בתפזורת. עד כה, בעיקר כדי להשיג מדינות אוריינטציה הרצוי מולקולרית LC מציג, "השטח" סטטי השטח של LCs, שנקרא משטח עיגון, נחקרה באופן אינטנסיבי. ככלל אצבע, פעם אחת את הכיוון הראשוני של LCs הוא "נעול" על ידי טיפולים משטח ספציפיים, כגון שפשוף או טיפול עם שכבת יישור מסוים, זה בקושי משנה עם הטמפרטורה. כאן, אנו מציגים מערכת המציגה מעבר אוריינטלי על וריאציה טמפרטורה, אשר מתנגש עם הקונצנזוס. ממש על המעבר, מולקולות LC בתפזורת חווים את הסיבוב האוריינטציה, עם 90 ° בין הכיוון המישורית (P) בטמפרטורות גבוהות לבין כיוון אנכי (V) בטמפרטורות נמוכות בסדר המעבר הראשון. יש לנו מעקב תרמודינמי משטח עיגון התנהגות באמצעות מיקרוסקופ אופטי מקטב (POM), ספקטרוסקופיה דיאלקטארית (DS), רזולוציית סריקה דיפרנציאלית סורקית (HR-DSC), ורמות קרני רנטגן (GI-XRD) והגיעו להסבר פיזי מתקבל על הדעת: המעבר נגרם על ידי גידול של פני השטח גליונות הרטבה, אשר מטילים את הכיוון V מקומי מקומי נגד הכיוון P בתפזורת. הנוף הזה יספק קישור כללי המסביר כיצד האוריינטציה הכמותית של שיווי המשקל מושפעת מהכוונה על פני השטח במערכות LC רבות. באפיון שלנו, POM ו DS הם יתרון על ידי מתן מידע על התפלגות המרחב של האוריינטציה של מולקולות LC. HR-DSC מספק מידע על מידע תרמודינמי מדויק על מעברים, אשר לא ניתן לטפל על ידי מכשירים DSC קונבנציונאלי בשל רזולוציה מוגבלת. GI-XRD מספק מידע על אוריינטציה מולקולרית ספציפית על פני השטח ועל הזמנות לטווח קצר. מטרת מסמך זה היא להציג פרוטוקול להכנת מדגם המציג את transiכדי להדגים כיצד וריאציה מבנית תרמודינמית, הן בתפזורת על המשטחים, ניתן לנתח באמצעות השיטות הנ"ל.
Introduction
בשנים האחרונות, יש כבר עניין הולך וגדל ללמוד כיצד דינמי תכונות מולקולריות של מולקולות פני השטח בתגובה לגירויים חיצוניים עלול להשפיע על הכיוון הגדול של חומרים במדינות LC. דוגמה אחת היא להשתמש biosensors LC כיישום חדש של LCs 1 , 2 . כדי לכמת כמה ביו מינים היעד מזוהים, חשוב לדעת כיצד LCs interfacial כי קשר מולקולות היעד שמירה להשתנות ולהתפתח, תוך גילוי וכיצד הם להעביר / לתרגם את המאפיינים שלהם בתפזורת.
באמצעות מודלים כדי להמשיך בתשובות אלה, התחלנו עם מערכות שיש להם אוריינטציה מולקולרית פני השטח שלהם לטווח קצר הזמנות משתנים תרמודינמית. מערכות אלו מאפשרות לנו לקשר בין השינויים בכיוון האוריינטציה לבין ההזמנות עם כיוון הכמות התוצאתי באופן שיטתי. לאחרונה, מצאנו כמה מערכות LC כי התערוכה oמעברים ריאקציונליים, שבהם שינוי אוריינטציה מולקולארית ספונטנית משתנה עם טמפרטורה. באופן עקרוני, ניתן לסווג מעברים אוריינטליים למעבר מסדר 2 , 4 או חצי-מסדר ראשון , 5 , 6 , 7 , 8 . הראשונה מלווה בהתחדשות מולקולארית בתפזורת על שינויים בטמפרטורה, בעוד שהאחרונה מדגימה רציפה. במאמר זה, אנו מתארים מעבר אוריינטליאלי בצורה מעין-מסדר ראשון בין מצבי P ו- V. זה מתקדם בשלב nematic יחיד (N) על ידי שינוי הטמפרטורה. פרטים יינתנו בתוצאות נציג ובדיון.
מאז שינוי אוריינטלי בתפזורת צריך להיות כפוף על ידי שינוי האוריינטציה מולקולרית פני השטח קצר- סדר הזמנות, ברור כי מערכת זו עשויה להציע תובנות כיצד וריאציה התרמודינמי של האוריינטציה מולקולרית פני השטח לטווח קצר orderings משפיע על הכיוון הגדול. במאמר זה, במטרה להבין את הנושאים הנ"ל, התמודדנו עם שלוש בעיות באמצעות ארבע שיטות משלימות ( כלומר, POM, DS, HR-DSC ו- GI-XRD): (1) איך נראה המעבר האוריינטלי? (2) האם ניתן לזהות את הטרנספורמציה האוריינטלית מבחינה תרמית? (3) מדוע וכיצד מתרחש המעבר האוריינטלי?
Protocol
Representative Results
Discussion
התמונות 10x POM שצולמו באמצעות תא 5 L מיקרומטר LC ( תרשימים 1a ו b ) מראים בבירור כי מצב אוריינטציה של מולקולות LC בתפזורת מעביר בין P ו- V אוריינטציות על וריאציה טמפרטורה בצורה מסודרת. זה מסומן על ידי נוקלאציה התחום ותהליכי הצמיחה, עם כיוון חדש שונה מן האוריינ…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי JSPS KAKENHI מענק מספר 16H06037. אנו מודים בכבוד רב ד"ר יוג'י סאסאקי בהוקאידו האוניברסיטה לעזרה טכנית עבור 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).
