Yüzey Islatma Levhalarının Termodinamik Büyümesi ile tetiklenen Sıvı Kristalde Oryantasyon Geçişi
Summary
Burada, sıcaklığa tepki olarak bir sıvı kristalin yönlendirici geçişini tetikleyen bir protokol sunuyoruz. Geçişi ve ayrıntılı geçiş evrimini izlemek için bir örnek hazırlamak için yöntemler anlatılmıştır.
Abstract
Sıvı kristal (LC) fizikokimyondaki yüzey yakınındaki moleküller, yığın yöneliminin kontrolünde büyük rol oynamaktadır. Şimdiye dek, esasen LC göstergelerinde istenen moleküler yönlendirme durumlarını elde etmek için, yüzey tutkallaması olarak adlandırılan LC'lerin "statik" yüzey özelliği yoğun bir şekilde incelenmiştir. Kural olarak, LC'lerin başlangıç yönelimi sürtünme veya spesifik bir hizalama tabakası ile işleme gibi spesifik yüzey uygulamaları tarafından "kilitli" hale getirildiğinde, sıcaklık ile pek değişmez. Burada, fikir birliği ile çatışan, sıcaklık değişimi üzerine oryantasyonlu bir geçiş sergileyen bir sistem sunuyoruz. Geçişte, seri LC molekülleri, birinci derece geçiş tarzında düşük sıcaklıklarda yüksek sıcaklıklarda düzlemsel (P) yönlendirme ve dikey (V) yönlendirme arasında 90 ° lik oryantasyon dönüşümü yaşar. Termodinamik yüzey tutturma davranışını polarize optik mikroskopi ile izledik (POM), dielektrik spektroskopi (DS), yüksek çözünürlüklü diferansiyel tarama kalorimetresi (HR-DSC) ve otlatma insidansı X-ışını kırınımı (GI-XRD) ve makul bir fiziki açıklama getirdi: geçişin yüzeyin büyümesiyle tetiklendiğini Islak sayfalardır ve bu da V yönünü toplu olarak P yönüne karşı dayatır. Bu manzara, birçok LC sisteminde denge yığın yöneliminin yüzey lokalize yönlendirmeden nasıl etkilendiğini açıklayan genel bir bağlantı sağlayacaktır. Karakterizasyonumuzda, POM ve DS, LC moleküllerinin yöneliminin mekansal dağılımı hakkında bilgi sunarak avantajlıdır. HR-DSC, sınırlı çözünürlükten ötürü konvansiyonel DSC cihazları tarafından ele alınamayan geçişler hakkında kesin termodinamik bilgi hakkında bilgi verir. GI-XRD, yüzey spesifik moleküler oryantasyon ve kısa menzilli siparişler hakkında bilgi sağlar. Bu makalenin amacı transi sergileyen bir örnek hazırlamak için bir protokol sunmaktır.Hem dökme hem de yüzeydeki termodinamik yapısal değişimin yukarıda belirtilen yöntemlerle nasıl analiz edilebileceğini göstermek.
Introduction
Son yıllarda, harici uyaranlara tepki olarak yüzey moleküllerinin dinamik moleküler özelliklerinin ve yapılarının, LC devletlerinde malzemelerin yığın yönelimini nasıl etkileyebileceğini öğrenmeye olan ilgi artmaktadır. Bir örnek LC 1 , 2'nin yeni bir uygulaması olarak LC biyosensörlerin kullanılmasıdır. Kaç tane hedef biyo-türün tespit edildiğini ölçmek için yapışkan hedef moleküllere temas eden arayüzey LC'lerin nasıl değiştiğini ve geliştiklerini bilmek önemlidir; aynı zamanda bunların özelliklerini toplu halde nasıl aktardıklarını / aktardıklarını tespit ederler.
Bu cevapları takip etmek için modeller kullanarak, yüzeyel moleküler yönelimi ve kısa menzilli siparişleri termodinamik olarak değişen sistemler ile başlattık. Bu sistemler, yüzey yönelimi ve sıralamadaki değişiklikleri, ortaya çıkan toplu yönlendirme ile sistematik bir şekilde ilişkilendirmemize izin verir. Son zamanlarda, çeşitli LC sistemleri oRientasyonel geçişler, burada spontan bir yığın moleküler oryantasyon sıcaklık ile değişir. Prensipte yönelim geçişleri, quasi-second-order 3 , 4 veya quasi-first-order transition 5 , 6 , 7 , 8 olarak kategorize edilebilir. Birincisi, sıcaklık değişiklikleri üzerine sürekli bir yığın moleküler yönelimi getirirken, ikincisi süreksiz olanı gösterir. Bu makalede, P ve V yönelim durumları arasındaki yarı birinci dereceden bir oryantasyon geçişini tanımlıyoruz. Sıcaklığı değiştirerek tekli Nematik (N) fazda ilerlemektedir. Detaylar Temsilcilik Sonuçlarında ve Tartışmada sağlanacaktır.
Kütlenin oryantal değişikliği, yüzey moleküler yöneliminde ve kısa bir değişiklikleBu sistemin, yüzey moleküler oryantasyonundaki termodinamik değişikliğin ve kısa menzilli sıralamaların toplu yönlendirmeyi nasıl etkilediği konusunda potansiyel olarak içgörüler sunabileceği açıktır. Bu makalede, yukarıda bahsedilen konuları anlamak amacıyla, dört tamamlayıcı yöntemi ( yani, POM, DS, İK-DSC ve GI-XRD) kullanarak üç problem üzerinde durduk: (1) Yönelimli geçiş nasıl görünüyor? (2) Yönlü geçiş, termal olarak saptanabilir mi? (3) Yönelimli geçiş neden ve nasıl meydana gelir?
Protocol
Representative Results
Discussion
5 μm'lik bir LC hücresi ( Şekil 1a ve b ) kullanılarak alınan 10x POM görüntüleri, birinci derece biçimde sıcaklık değişimi üzerine, toplu LC moleküllerinin yönelimli durumunun P ve V yönleri arasında geçiş yaptığını açıkça göstermektedir. Bu, etki alanı çekirdeklenme ve büyüme süreçleri ile işaretlenir ve başlangıç yönünden 90 ° farklı yeni bir yönlendirme bulunur. Soğutma ve ısıtma sırasındaki geçiş sıcaklıkları sırasıyl…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma, JSPS KAKENHI tarafından 16H06037 numaralı hibe tarafından desteklenmiştir. HR-DSC için teknik yardım için Hokkaido Üniversitesi'nden Dr. Yuji Sasaki'ye içtenlikle teşekkür ederiz.
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).
