Orienterande övergång i ett flytande kristall utlöst av den termodynamiska tillväxten av gränsvärda vätskeark
Summary
Här presenterar vi ett protokoll för att utlösa en orienterande övergång av en flytande kristall som svar på temperaturen. Metoder beskrivs för att framställa ett prov för att observera övergången och den detaljerade övergångsutvecklingen.
Abstract
I flytande kristall (LC) fysisk kemi spelar molekyler nära ytan en stor roll vid kontroll av bulkorientering. Hittills, huvudsakligen för att uppnå önskade molekylär orienteringstillstånd i LC-skärmar har den "statiska" ytegenskapen hos LC, så kallad ytförankring, studerats intensivt. Som en tumregel, när den ursprungliga orienteringen av LC är "låst" genom specifika ytbehandlingar, såsom gnidning eller behandling med ett specifikt anpassningsskikt, ändras det knappast med temperaturen. Här presenterar vi ett system som uppvisar en orienterande övergång vid temperaturvariation, vilket strider mot konsensusen. Riktigt vid övergången upplever bulk-LC-molekylerna orienteringsrotationen med 90 ° mellan den plana (P) orienteringen vid höga temperaturer och den vertikala (V) orienteringen vid låga temperaturer i första ordningens övergångs-sätt. Vi har spårat termodynamiskt ytförankringsbeteende med hjälp av polariserande optisk mikroskopi (POM), dielektrisk spektroskopi (DS), högupplösande differentialscanningskalorimetri (HR-DSC) och beteckningsröntgendiffraktion (GI-XRD) och uppnådde en trovärdig fysisk förklaring: att övergången utlöses av en tillväxt av ytan Vätningsark, som påför V-orienteringen lokalt mot P-orienteringen i bulk. Detta landskap skulle ge en generell länk som förklarar hur jämviktsmassororienteringen påverkas av yt lokaliserad orientering i många LC-system. I vår karaktärisering är POM och DS fördelaktiga genom att erbjuda information om den rumsliga fördelningen av orienteringen av LC-molekyler. HR-DSC ger information om exakt termodynamisk information om övergångar, vilket inte kan hanteras av konventionella DSC-instrument på grund av begränsad upplösning. GI-XRD ger information om ytspecifik molekylär orientering och kortdistansbeställningar. Målet med detta papper är att presentera ett protokoll för att förbereda ett prov som uppvisar transiOch visa hur den termodynamiska strukturvariationen, både i bulk och på ytor, kan analyseras genom ovan nämnda metoder.
Introduction
Under de senaste åren har det ökat intresse för att lära sig hur dynamiska molekylära egenskaper och strukturer av ytmolekyler som svar på yttre stimuli kan påverka massorienteringen av material i LC-tillstånd. Ett exempel är att använda LC biosensorer som en ny applikation av LCs 1 , 2 . För att kvantifiera hur många målbiologiska arter detekteras är det viktigt att veta hur de gränsvärdena LC som kontaktar vidhäftande målmolekyler förändras och utvecklas samtidigt som de upptäcker och hur de överför / översätter deras egenskaper i bulk.
Genom att använda modeller för att följa dessa svar började vi med system som har sin ytmolekylära orientering och kortdistansbeställningar som varierar termodynamiskt. Dessa system tillåter oss att korrelera förändringarna i ytorientering och ordering med den resulterande bulkorienteringen på ett systematiskt sätt. Nyligen fann vi flera LC-system som uppvisar oRationella övergångar, där en spontan bulkmolekylär orientering förändras med temperaturen. I princip kan orienterande övergångar kategoriseras i antingen kvasi-andra ordning 3 , 4 eller kvasi-första orderövergång 5 , 6 , 7 , 8 . Den förra åtföljs av en kontinuerlig massmolekylärororientering vid temperaturförändringar, medan den senare visar en diskontinuerlig. I den här artikeln beskriver vi en orienterande övergång på kvasi-första ordningens sätt mellan P och V orienteringslägena. Den fortsätter i den enkla nematiska (N) -fasen genom att ändra temperaturen. Detaljer kommer att ges i representativa resultat och diskussionen.
Eftersom orienterande förändring i bulk bör regleras av en förändring i ytmolekylär orientering och kort-rangerande beställningar är det uppenbart att detta system potentiellt kan ge insikt i hur den termodynamiska variationen i ytmolekylär orientering och kortdistansbeställningar påverkar bulkorienteringen. I den här artikeln behandlade vi tre problem med hjälp av fyra kompletterande metoder ( dvs. POM, DS, HR-DSC och GI-XRD) för att förstå ovanstående problem: (1) Hur ser orienteringsövergången ut? (2) Är orienteringsövergången termiskt detekterbar? (3) Varför och hur sker orienteringsövergången?
Protocol
Representative Results
Discussion
De 10x POM-bilderna som tas med användning av en 5 μm LC-cell (figurerna la och b ) visar tydligt att orienteringsläget hos bulk-LC-molekylerna övergår mellan P- och V-orienteringarna vid temperaturvariation på ett första ordningens sätt. Detta markeras av domänkärnbildnings- och tillväxtprocesserna, med en ny orientering som skiljer sig från den ursprungliga orienteringen med 90 °. Övergångstemperaturerna vid kylning och uppvärmning är 321,5 K respektive 325,3 K. Efter…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av JSPS KAKENHI bidrag nr 16H06037. Vi tackar verkligen Dr Yuji Sasaki i Hokkaido University för tekniskt stöd till 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).
