Orienteringsovergang i en flytende krystall utløst av den termodynamiske veksten av grensesnittet
Summary
Her presenterer vi en protokoll for å utløse en orienterende overgang av en flytende krystall som respons på temperaturen. Metodologier er beskrevet for å lage en prøve for å observere overgangen og den detaljerte overgangsevolusjonen.
Abstract
I flytende krystall (LC) fysisk kjemi spiller molekyler nær overflaten en stor rolle i kontrollen av masseorientering. Så langt, hovedsakelig for å oppnå ønskede molekylær orienteringstilstander i LC-skjermer, har den "statiske" overflateegenskapen til LCs, såkalt overflateforankring, blitt studert intensivt. Som en tommelfingerregel, når den første orienteringen av LC er "låst" ved spesifikke overflatebehandlinger, som for eksempel gnidning eller behandling med et spesifikt justeringslag, endres det ikke med temperatur. Her presenterer vi et system som viser en orienterende overgang ved temperaturvariasjon, som er i konflikt med konsensus. Rett ved overgangen opplever bulk-LC-molekylene orienteringsrotasjonen, med 90 ° mellom den plane (P) orienteringen ved høye temperaturer og den vertikale (V) orienteringen ved lave temperaturer i første-trinns overgangsmetode. Vi har sporet termodynamisk overflateforankringsadferd ved hjelp av polariserende optisk mikroskopi (POM), dielektrisk spektroskopi (DS), høyoppløselig differensiell skanningskalorimetri (HR-DSC) og beite-incidens-røntgendiffraksjon (GI-XRD) og nådde en plausibel fysisk forklaring: at overgangen utløses av en vekst av overflaten Fuktingsark, som påfører V-retningen lokalt mot P-orienteringen i bulk. Dette landskapet vil gi en generell lenke som forklarer hvordan balansen mellom ligevægten påvirkes av overflate-lokalisert orientering i mange LC-systemer. I vår karakterisering er POM og DS fordelaktig ved å tilby informasjon om den romlige fordeling av orienteringen av LC-molekyler. HR-DSC gir informasjon om den presise termodynamiske informasjonen på overganger, som ikke kan adresseres av konvensjonelle DSC-instrumenter på grunn av begrenset oppløsning. GI-XRD gir informasjon om overflate-spesifikk molekylær orientering og kort rekkefølge bestilling. Målet med dette papiret er å presentere en protokoll for å lage en prøve som viser transiOg å demonstrere hvordan den termodynamiske strukturvariasjonen, både i bulk og på overflater, kan analyseres ved hjelp av de ovennevnte metoder.
Introduction
I de senere år har det vært økende interesse for å lære hvordan dynamiske molekylære egenskaper og strukturer av overflatemolekyler som svar på ytre stimuli kan påvirke bulkorientering av materialer i LC-tilstander. Et eksempel er å bruke LC biosensorer som en ny applikasjon av LCs 1 , 2 . For å kvantifisere hvor mange målbiologiske arter detekteres, er det viktig å vite hvordan grensesnittet LC som kontakter vedheftende målmolekyler forandrer seg og utvikler seg, samtidig som de oppdager og hvordan de overfører / oversetter egenskapene til bulk.
Ved å bruke modeller for å forfølge disse svarene, startet vi med systemer som har sin overflatemolekylære orientering og kortvarige ordre varierende termodynamisk. Disse systemene tillater oss å korrelere endringene i overflateorientering og ordre med den resulterende masseorienteringen på en systematisk måte. Nylig fant vi flere LC-systemer som viser oRientational overganger, hvor en spontan masse molekylær orientering endres med temperatur. I prinsippet kan orienterende overganger kategoriseres i enten kvasi-andre rekkefølge 3 , 4 eller kvasi-første-ordreovergang 5 , 6 , 7 , 8 . Den førstnevnte er ledsaget av en kontinuerlig massemolekylær omorientering ved endringer i temperatur, mens sistnevnte demonstrerer en diskontinuerlig en. I denne artikkelen beskriver vi en orienterende overgang i kvasi-første-ordens måte mellom P og V orienteringsstilstandene. Den går videre i enkelt nematisk (N) fase ved å endre temperaturen. Detaljer vil bli gitt i Representative Results and the Discussion.
Siden orienteringsendring i bulk skal styres av en endring i overflatemolekylær orientering og kort-range bestillinger, er det tydelig at dette systemet potensielt kan gi innsikt i hvordan den termodynamiske variasjonen i overflatemolekylær orientering og kort rekkefølgeordninger påvirker bulkorienteringen. I denne artikkelen, med sikte på å forstå de nevnte problemene, tok vi opp tre problemer ved hjelp av fire komplementære metoder ( dvs. POM, DS, HR-DSC og GI-XRD): (1) Hvordan ser orienteringsovergangen ut? (2) Er orienteringsovergangen termisk detekterbar? (3) Hvorfor og hvordan skjer orienteringsovergangen?
Protocol
Representative Results
Discussion
De 10x POM-bildene som ble tatt ved hjelp av en 5 μm LC-celle ( figur 1a og b ) viser tydelig at orienteringsstatusen til bulk-LC-molekylene overgår mellom P- og V-orienteringene ved temperaturvariasjon på en første rekkefølge. Dette er preget av domenekjede- og vekstprosessene, med en ny orientering som er forskjellig fra den opprinnelige orienteringen ved 90 °. Overgangstemperaturene ved kjøling og oppvarming er henholdsvis 321,5 K og 325,3 K. Siden CCN47 har en birefringence p…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av JSPS KAKENHI tilskudd nummer 16H06037. Vi takker hjertelig Dr. Yuji Sasaki i Hokkaido University for teknisk assistanse til 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).
