Nuove tecniche per l'osservazione dinamica strutturale dei cristalli liquidi fotoresponsivi
Summary
Qui, presentiamo i protocolli di analisi differenziale-rilevamento di tempo-risolta infrarosso vibrazionale spettroscopia ed elettrone diffrazione che permettono osservazioni delle deformazioni delle strutture locali nei dintorni di molecole fotoeccitate in un colonnare a cristalli liquidi, dando una prospettiva atomica sul rapporto tra la struttura e le dinamiche di questo materiale fotoattivo.
Abstract
In questo articolo discutiamo le misure sperimentali delle molecole in fase di cristalli liquidi (LC) usando la spettroscopia vibrazionale risolta in tempo a infrarossi (IR) e diffrazione di elettroni risolta nel tempo. Fase di cristalli liquidi è un importante stato della materia che esiste tra le fasi solida e liquida ed è comune in sistemi naturali pure come elettronica organica. Cristalli liquidi sono orientazionale ordinati ma senza bloccare imballati, e di conseguenza, le conformazioni interne e allineamenti dei componenti molecolari del LCs possono essere modificati dagli stimoli esterni. Anche se avanzato risolta nel tempo tecniche di diffrazione hanno rivelato la dinamica molecolare di picosecondi-scala dei monocristalli e policristalli, osservazioni dirette di imballaggio strutture e dinamica ultraveloce di materiali morbidi sono stati ostacolati da sfocata modelli di diffrazione. Qui, segnaliamo risolta in tempo di spettroscopia vibrazionale IR e diffrattometria di elettrone di acquisire ultraveloce istantanee di un materiale di LC colonna recanti una frazione di nucleo fotoattivo. Analisi differenziale-rilevamento della combinazione di tempo-risolta spettroscopia vibrazionale IR e diffrazione dell’elettrone sono potenti strumenti per la caratterizzazione di strutture e dinamiche fotoindotti di materiali morbidi.
Introduction
Cristalli liquidi (LCs) hanno una varietà di funzioni e sono ampiamente utilizzati in applicazioni scientifiche e tecnologiche1,2,3,4,5,6. Il comportamento di LCs può essere attribuito al loro ordine orientazionale pure per quanto riguarda l’elevata mobilità delle loro molecole. Una struttura molecolare dei materiali LC è in genere caratterizzata da un nucleo di mesogen e catene di carbonio lunghi e flessibili che assicurano elevata mobilità delle molecole LC. Sotto stimoli esterni7,8,9,10,11,12,13,14,15 , come luce, campi elettrici, cambiamenti di temperatura o pressione meccanica, piccolo intra – e intermolecolari moti di LC molecole causa strutturali drastici riordino del sistema, che conduce al relativo comportamento funzionale. Per comprendere le funzioni dei materiali LC, è importante determinare la struttura su scala molecolare nella fase di LC e identificare i movimenti chiavi delle conformazioni molecolari e deformazioni di imballaggio.
Diffrazione di raggi x (XRD) è comunemente impiegato come un potente strumento per la determinazione di strutture di LC materiali16,17,18. Tuttavia, il modello di diffrazione che proviene da un nucleo funzionale di stimoli-sensible a reagire è spesso nascosta da un modello ampio halo dalle catene di carbonio lunga. Una soluzione efficace a questo problema è fornita mediante analisi per diffrazione risolta in tempo, che permette osservazioni dirette di dinamica molecolare mediante fotoeccitazione. Questa tecnica consente di estrarre informazioni strutturali sulla frazione aromatica fotoresponsivi utilizzando le differenze tra i modelli di diffrazione ottenuti prima e dopo fotoeccitazione. Queste differenze forniscono i mezzi sia per rimuovere il rumore di fondo e osservare direttamente le modifiche strutturali di interesse. Analisi dei pattern di diffrazione differenziale rivelano i segnali modulati da parte del fotoattivo da sola, quindi escluse la diffrazione deleteria dalle catene del carbonio non-fotoresponsivi. Viene fornita una descrizione di questo metodo di analisi di diffrazione differenziale in Hada, M. et al.19.
Misure di diffrazione risolta nel tempo in grado di fornire informazioni strutturali sui riarrangiamenti atomici che si verificano durante la transizione di fase in materiali20,21,22,23, 24 , 25 , 26 , 27 , 28 , 29 e chimica reazioni tra molecole30,31,32,33,34. Con queste applicazioni in mente, è sono stati notevoli progressi nello sviluppo di ultrabright e impulsi ultrabrevi raggi x35,36 ed elettrone37,38,39 , 40 fonti. Tuttavia, risolta in tempo diffrazione è stata applicata a molecole semplici, isolati o a single – o poli-cristalli, in cui altamente ordinato reticolo inorganico o molecole organiche producono modelli di diffrazione ben risolto fornendo strutturale informazioni. Al contrario, ultraveloce analisi strutturale di materiali morbidi più complessi sono stati ostacolati a causa delle loro fasi meno ordinati. In questo studio, dimostriamo l’uso della diffrazione elettronica risolta nel tempo così come spettroscopia di assorbimento transitoria e spettroscopia vibrazionale risolta in tempo a infrarossi (IR) per caratterizzare la dinamica strutturale di materiali fotoattivi di LC usando questo metodologia di diffrazione-estratta19.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il punto cruciale del processo durante le misure di diffrazione di elettroni risolta in tempo è mantenere l’alta tensione (75 keV) senza fluttuazione corrente poiché la distanza tra il fotocatodo e l’anodo piastra è solo ~ 10 mm. Se la corrente oscilla sopra la gamma di 0,1 µA prima o durante gli esperimenti, aumentare la tensione di accelerazione fino a 90 keV a discarico e impostarlo nuovamente su 75 keV. Questo processo di condizionamento deve essere fatto fino a quando la corrente oscilla nell’intervallo 0,1 µA….
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Grazie Dr. S. Tanaka Tokyo Institute of Technology per misure di spettroscopia vibrazionale IR risolta in tempo e Prof. ssa M. Hara e Dr. K. Matsuo all’Università di Nagoya per misure XRD. Abbiamo anche grazie Prof. ssa S. Yamaguchi all’Università di Nagoya, Prof. ssa R. Herges all’Università di Kiel e Prof. ssa R. J. D. Miller presso il Max Planck Institute per la struttura e Dynamics della materia per discussione importante.
Questo lavoro è supportato da tecnologia giapponese di scienza (JST), PRESTO, per il finanziamento dei progetti “creazione di nuove funzioni e tecnologia molecolare” (Grant numero di JPMJPR13KD, JPMJPR12K5 e JPMJPR16P6) e “Conversione chimica di energia luminosa”. Questo lavoro è anche parzialmente supportato da JSP Grant numeri JP15H02103, JP17K17893, JP15H05482, JP17H05258, JP26107004 e JP17H06375.
Materials
| Chirped pulse amplifier | Spectra Physics Inc. | Spitfire ACE | For time-resolved IR vibration spectroscopy |
| Chirped pulse amplifier | Spectra Physics Inc. | Spitfire XP | For time-resolved electron diffractometry |
| Femtosecond laser | Spectra Physics Inc. | Tsunami | For time-resolved IR vibration spectroscopy |
| Femtosecond laser | Spectra Physics Inc. | Tsunami | For time-resolved electron diffractometry |
| Optical parametric amplifier | Light Conversion Ltd. | TOPAS prime | |
| 64-channel mercury cadmium tellurium IR detector array | Infrared Systems Development Corporation | FPAS-6416-D | |
| FT-IR spectrometer | Shimadzu Corporation | IR Prestige-21 | |
| High voltage supply | Matsusada precision | HER-100N0.1 | |
| Rotary pump | Edwards | RV12 | |
| Molecular turbo pumps | Agilent Technologies Japan, Ltd. | Twis Torr 304FS | |
| Vacuum gauges | Pfeiffer vacuum systems gmbh | PKR251 | For ICF70 flange |
| Vacuum monitors | Pfeiffer vacuum systems gmbh | TPG261 | |
| Fiber coupled CCD camera | Andor Technology Ltd. | iKon-L HF | |
| BaF2 and CaF2 substrates | Pier optics | Thickness 3 mm | |
| AgGaS2 crystal | Phototechnica Corporation | Custom-order | |
| BBO crystals | Tokyo Instruments, Inc. | SHG θ=29.2 deg THG θ=44.3 deg |
|
| calcite crystals | Tokyo Instruments, Inc. | Thickness 1mm | |
| Optical mirrors | Thorlabs | PF10-03-F01 PF10-03-M01 UM10-45A |
Al coat mirrors Au coat mirrors Ultrafast mirrors |
| Optical mirrors | HIKARI,Inc. | Broadband mirrors | |
| Dichroic mirrors | HIKARI,Inc. | Custom-order Reflection: 266 nm Transmission: 400, 800 nm |
|
| Optical chopper | Newport Corporation | 3501 optical chopper | |
| Optical shutters | Thorlabs Inc. | SH05/M SC10 |
|
| Optical shutters | SURUGA SEIKI CO.,LTD. | F116-1 | |
| Beam splitters | Thorlabs Inc. | BSS11R | |
| Fused-silica lenses | Thorlabs Inc. | LA4663 LA4184 |
|
| BaF2 lens | Thorlabs Inc. | LA0606-E | |
| Polarized mirrors | Sigmakoki Co.,Ltd | Custom-order Designed for 800 nm Reflection: s-polarized light Transmission : p-polarized light |
|
| Half waveplate | Thorlabs Inc. | WPH05M-808 | |
| Mirror mounts | Thorlabs Inc. | POLARIS-K1 KM100 |
Kinematic mirror mounts |
| Mirror mounts | Sigmakoki Co.,Ltd | MHAN-30M MHAN-30S |
Gimbal mirror mounts |
| Mirror mounts | Newport Corporation | ACG-3K-NL | Gimbal mirror mounts |
| Variable ND filters | Thorlabs Inc. | NDC-25C-2M | |
| Beam splitter mounts | Thorlabs Inc. | KM100S | |
| Lens mounts | Thorlabs Inc. | LMR1/M | |
| Rotational mounts | Thorlabs Inc. | RSP1/M | |
| Retroreflector | Edmund Optics | 63.5MM X 30" EN-AL | |
| spectrometers | ocean photonics | USB-4000 | |
| Power meter | Ophir | 30A-SH | Used for intensity monitor of CPA |
| Power meter | Thorlabs Inc. | S120VC PM100USB |
Used for intensity measurements of pump pulse |
| Photodiodes | Thorlabs Inc. | DET36A/M DET25K/M |
|
| DC power supply | TEXIO | PW18-1.8AQ | Used for magnetic lens |
| Magnetic lens | Nissei ETC Co.,Ltd | Custom-order | |
| Stages | Newport Corporation | M-MVN80V6 LTAHLPPV6 |
Used for magnetic lens |
| Stage controller | Newport Corporation | SMC100 | |
| Stages | Sigmakoki Co.,Ltd | SGSP20-35(X) SGSP20-85(X) |
Used for sample position |
| Stages | Sigmakoki Co.,Ltd | SGSP26-200(X) OSMS26-300(X) |
Used for delay time generator |
| Stage controller | Sigmakoki Co.,Ltd | SHOT-304GS | |
| Picoammeter | Laboratory built | ||
| spin coater | MIKASA Co.,Ltd | 1H-D7 | |
| hot plate | IKA® | C-MAG HP7 | |
| SiN wafer | Silson Ltd | Custom-order | |
| KOH aqueous solution (50%) | Hiroshima Wako Co.,Ltd. | 168-20455 | |
| Chloroform | Hiroshima Wako Co.,Ltd. | 038-18495 | |
| Dichloromethane | Hiroshima Wako Co.,Ltd. | 132-02456 | |
| Personal computers for the controlling programs | Epson Corporate | Endeavor MR7300E-L | 32-bit operation system |
| Program for the control the equipment | National Instruments Corporation | Labview2016 | |
| Program for the data analysis | The MathWorks, Inc. | Matlab2015b |
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