JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Chemistry

Новые методы для наблюдения за структурной динамики Photoresponsive жидких кристаллов

Published: May 29, 2018
doi:
10.3791/57612
, , , , , ,
1Graduate School of Natural Science and Technology,Okayama University, 2Graduate School of Science,Kyoto University, 3Center for Computational Sciences,University of Tsukuba, 4Graduate School of Science,Kyushu University

Summary

Здесь мы представляем протоколы анализов дифференциально обнаружение времени решены инфракрасный колебательной спектроскопии и электронной дифракции позволяющие наблюдений деформаций местных структур вокруг photoexcited молекул в столбчатых жидкий кристалл, давая атомной перспективы на взаимосвязи между структурой и динамикой этого фотоактивного материала.

Abstract

Мы обсуждаем в этой статье экспериментальные измерения молекул жидкокристаллических (ЖК) этапе с использованием времени решены инфракрасный (ИК) колебательной спектроскопии и дифракция электронов, время решена. Жидкий кристалл фаза является важным состояние материи, которая существует между твердой и жидкой фаз, и он встречается в естественных системах, а также как органической электроники. Жидкие кристаллы ориентационно приказал но слабо упакованы, и поэтому, внутренние конформации и выравнивания молекулярные компоненты LCs могут быть изменены на внешние раздражители. Хотя время решена дифракционные методы показали пикосекундной шкала молекулярной динамики монокристаллов и поликристаллов, прямых наблюдений упаковка структур и сверхскоростной динамика мягких материалов сдерживаются размыто Дифракционные текстуры. Здесь мы приводим время решена ИК колебательной спектроскопии и электрон дифрактометрии приобрести сверхскоростной снимки столбчатых LC материала с учетом фотоактивного основные общие. Анализ дифференциально обнаружения комбинации времени решена ИК колебательной спектроскопии и дифракции электронов являются мощными инструментами для характеристики структуры и динамики фотоиндуцированной мягких материалов.

Introduction

Жидкие кристаллы (LCs) имеют целый ряд функций и широко используются в научных и технологических приложений1,2,3,4,5,6. Поведение LCs может объясняться их ориентационного заказ а также относительно высокая мобильность их молекул. Молекулярная структура LC материалов, как правило, характеризуются mesogen ядро и длинные гибкие углеродных цепей, обеспечивающих высокую мобильность LC молекул. Под внешними раздражителями7,8,9,10,11,12,13,14,15 , например, свет, электрические поля, изменений температуры или механического давления, малые внутри – и межмолекулярных движений LC молекул причиной резких структурных переназначения в системе, ведущих к его функциональное поведение. Чтобы понять функции LC материалов, важно определить структуру молекулярном уровне в фазе LC и выявления ключевых движения молекулярных конформации и упаковки деформаций.

Дифракция рентгеновских лучей (XRD) обычно используются как мощный инструмент для определения структуры LC материалы16,17,18. Однако дифракционной картины, возникая от функциональных раздражители отзывчивым ядра часто скрывается шаблоном широкого гало от долгого углеродных цепей. Эффективное решение этой проблемы обеспечивается время решена дифракционного анализа, который позволяет прямых наблюдений с помощью фотовозбуждения молекулярной динамики. Этот метод извлекает структурную информацию о photoresponsive ароматических остаток с помощью различия между дифракционные текстуры, полученные до и после фотовозбуждения. Эти различия обеспечивают средства для удаления фонового шума и непосредственно наблюдать структурные изменения интереса. Анализ дифференциального дифракционные текстуры раскрыть модулированные сигналы от фотоактивного группу самостоятельно, тем самым исключая пагубных дифракции от цепей углерода не photoresponsive. Описание этого метода дифференциальной дифракционного анализа приводится в Хада, м. и др.19.

Измерения времени решены дифракции может обеспечить структурную информацию об атомной перестановок, которые происходят во время фазового перехода в материалы20,21,,2223, 24 , 25 , 26 , 27 , 28 , 29 и химических реакций между молекулами30,,3132,33,34. С этими приложениями в виду был достигнут значительный прогресс в развитии ultrabright и ультракоротких импульсного рентгеновского35,36 и электрон37,38,39 , 40 источников. Однако время решена дифракции только был применен простой, изолированных молекул или к одно – или поли кристаллы, в которой высоко приказал неорганических решетки или органические молекулы производят хорошо решен дифракционные текстуры, обеспечение структурной информации. В отличие от этого сверхскоростной структурные анализы более сложных мягких материалов были затруднены из-за их менее упорядоченной фазы. В этом исследовании мы продемонстрировать использование Дифракция времени решены электронов, а также переходных абсорбционной спектроскопии и времени решены инфракрасный (ИК) колебательной спектроскопии характеризовать Структурная динамика фотоактивного LC материалов, с помощью этого дифракции извлечено методологии19.

Protocol

1.Time решена инфракрасной колебательной спектроскопии Подготовка образца Решение: Растворите π-расширенный cyclooctatetraene (π-кроватка) молекул в дихлорметан с надлежащей концентрации (1 ммоль/Л). LC фаза: растопить π-кроватка порошка на подложке Фторид кальция (2…

Representative Results

Мы выбрали седло образный π-кроватка скелет43,44 фотоактивного основной единицей LC молекулы, потому что он образует четко столбчатой структуры укладки и потому что Центральный восемь membered кроватку кольцо, как ожидается, показывают фотои?…

Discussion

Критический шаг процесса во время измерений Дифракция времени решены электрона является поддержание высокого напряжения (75 кэВ) без текущих колебаний с расстояния между фотокатодом и анода пластина является только ~ 10 мм. Если ток колеблется выше диапазон 0,1 мкА до или в ходе экспериме?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Мы благодарим д-р S. Танака в Токийском технологическом институте поверочные время решена ИК колебательной спектроскопии и профессор м. Хара и доктор K. Мацуо в Нагойском университете XRD измерений. Мы также благодарит профессор Ямагути S. в Нагойском университете, профессор р. Herges в университете Киля и профессор р. ж. д. Миллер в институте Макса Планка для структуры и динамики материи ценные обсуждения.

Эта работа поддерживается по японской технологии науки (JST), вуаля, для финансирования проектов «молекулярной технологии и создание новых функций» (Грант количество JPMJPR13KD, JPMJPR12K5 и JPMJPR16P6) и «Химические преобразования энергии света». Эта работа также частично поддерживается JSP-страницы Грант номера JP15H02103, JP17K17893, JP15H05482, JP17H05258, JP26107004 и 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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Van Haaren, J., Broer, D. In search of the perfect image. Chem. Ind. 24, 1017-1021 (1998).
  2. Goodby, J. W., Collings, P. J., Kato, T., Tschierske, C., Gleeson, H. F., Raynes, P. . Handbook of Liquid Crystals. , (2014).
  3. Li, Q. . Liquid Crystal Beyond Displays. , (2012).
  4. Kato, T. Self-assembly of phase-segregated liquid crystal structures. Science. 295, 2414-2418 (2002).
  5. Fleismann, E. K., Zentel, R. Liquid-Crystalline Ordering as a Concept in Materials Science: From Semiconductors to Stimuli-Responsive Devices. Angew. Chem. Int. Ed. 52, 8810-8827 (2013).
  6. Sergeyev, S., Pisula, W., Geerts, Y. H. Discotic liquid crystals: a new generation of organic semiconductors. Chem. Soc. Rev. 36, 1902-1929 (2007).
  7. Goodby, J. W. Mesogenic molecular crystalline materials. Curr. Opin. Solid State Mater. Sci. 4, 361-368 (1999).
  8. Ichimura, K. Photoalignment of Liquid-Crystal Systems. Chemical Reviews. 100, 1847-1873 (2000).
  9. Ikeda, T. Photomodulation of liquid crystal orientations for photonic applications. J. Mater. Chem. 13, 2037-2057 (2003).
  10. Browne, W. R., Feringa, B. L. Making molecular machines work. Nat. Nanotech. 1, 25-35 (2006).
  11. Ikeda, T., Mamiya, J., Yu, Y. Photomechanics of liquid-crystalline elastomers and other polymers. Angew. Chem., Int. Ed. 46, 506-528 (2007).
  12. Sagara, Y., Kato, T. Brightly Tricolored Mechanochromic Luminescence from a Single-Luminophore Liquid Crystal: Reversible Writing and Erasing of Images. Angew. Chem. Int. Ed. 50, 9128-9132 (2011).
  13. Miyajima, D., et al. Ferroelectric columnar liquid crystal featuring confined polar groups within core-shell architecture. Science. 336, 209-213 (2012).
  14. White, T. J., Broer, D. J. Programmable and adaptive mechanics with liquid crystal polymer networks and elastomers. Nat. Mater. 14, 1087-1098 (2015).
  15. Saito, S., et al. Light-melt adhesive based on dynamic carbon frameworks in a columnar liquid-crystal phase. Nat. Commun. 7, 12094 (2016).
  16. Lagerwall, J. P. F., Giesselmann, F. Current Topics in Smectic Liquid Crystal Research. Chem. Phys. Chem. 7, 20-45 (2006).
  17. Yoon, H. G., Agra-Kooijman, D. M., Ayub, K., Lemieux, R. P., Kumar, S. Direct Observation of Diffuse Cone Behavior in de Vries Smectic-A and -C Phases of Organosiloxane Mesogens. Phys. Rev. Lett. 106, 087801 (2011).
  18. Takanishi, Y., Ohtsuka, Y., Takahashi, Y., Kang, S., Iida, A. Chiral doping effect in the B2 phase of a bent-core liquid crystal: The observation of resonant X-ray satellite peaks assigned to the 5/10 layer periodic structure. Euro. Phys. Lett. 109, 56003 (2015).
  19. Hada, M., et al. Structural Monitoring of the Onset of Excited-State Aromaticity in a Liquid Crystal Phase. J. Am. Chem. Soc. 139, 15792-15800 (2017).
  20. Cavalleri, A., et al. Femtosecond Structural Dynamics in VO2 during an Ultrafast Solid-Solid Phase Transition. Phys. Rev. Lett. 87, 237401 (2001).
  21. Hada, M., Okimura, K., Matsuo, J. Characterization of structural dynamics of VO2 thin film on c-Al2O3 using in-air time-resolved x-ray diffraction. Phys. Rev. B. 82, 153401 (2010).
  22. Eichberger, M., et al. Snapshots of cooperative atomic motions in the optical suppression of charge density waves. Nature. 468, 799-802 (2010).
  23. Ichikawa, H., et al. Transient photoinduced ‘hidden’ phase in a manganite. Nat. Mater. 10, 101-105 (2011).
  24. Hada, M., Okimura, K., Matsuo, J. Photo-induced lattice softening of excited-state VO2. Appl. Phys. Lett. 99, 051903 (2011).
  25. Zamponi, F., Rothhardt, P., Stingl, J., Woerner, M., Elsaesser, T. Ultrafast large-amplitude relocation of electronic charge in ionic crystals. P. Natl. Acad. Sci. USA. 109, 5207-5212 (2012).
  26. Beaud, P., et al. A time-dependent order parameter for ultrafast photoinduced phase transitions. Nat. Mater. 13, 923-927 (2014).
  27. Morrison, V. R., et al. A photoinduced metal-like phase of monoclinic VO revealed by ultrafast electron diffraction. Science. 346, 445-448 (2014).
  28. Han, T. -. R. T., et al. Exploration of metastability and hidden phases in correlated electron crystals visualized by femtosecond optical doping and electron crystallography. Sci. Adv. 5, 1400173 (2015).
  29. Waldecker, L., et al. Time-domain separation of optical properties from structural transitions in resonantly bonded materials. Nat. Mater. 14, 991-995 (2015).
  30. Minitti, M. P., et al. Imaging Molecular Motion: Femtosecond X-Ray Scattering of an Electrocyclic Chemical Reaction. Phys Rev. Lett. 114, 255501 (2015).
  31. Kim, K. H., et al. Direct observation of bond formation in solution with femtosecond X-ray scattering. Nature. 518, 385-389 (2015).
  32. Gao, M., et al. Mapping molecular motions leading to charge delocalization with ultrabright electrons. Nature. 496, 343-346 (2013).
  33. Ishikawa, T., et al. Direct observation of collective modes coupled to molecular orbital-driven charge transfer. Science. 350, 1501-1505 (2015).
  34. Xian, R., et al. Coherent ultrafast lattice-directed reaction dynamics of triiodide anion photodissociation. Nat. Chem. 9, 516-522 (2017).
  35. Chapman, H. N., et al. Femtosecond X-ray protein nanocrystallography. Nature. 470, 73-77 (2011).
  36. Ishikawa, T., et al. A compact X-ray free-electron laser emitting in the sub-ångström region. Nature Photonics. 6, 540-544 (2012).
  37. Zewail, A. H. Four-dimensional electron microscopy. Science. 328, 187-193 (2010).
  38. Sciaini, G., Miller, R. J. D. Femtosecond electron diffraction: heralding the era of atomically resolved dynamics. Rep. Prog. Phys. 74, 096101 (2011).
  39. Hada, M., Pichugin, K., Sciaini, G. Ultrafast structural dynamics with table top femtosecond hard X-ray and electron diffraction setups. Euro. Phys. J. Special Topic. 222, 1093-1123 (2013).
  40. Miller, R. J. D. Mapping atomic motions with ultrabright electrons: the chemists’ gedanken experiment enters the lab frame. Annu. Rev. Phys. Chem. 65, 583-604 (2014).
  41. Seki, T., Murase, T., Matsuo, J. Cluster size dependence of sputtering yield by cluster ion beam irradiation. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 242, 179-181 (2006).
  42. Mueller, C., Harb, M., Dwyer, J. R., Miller, R. J. D. Nanofluidic Cells with Controlled Pathlength and Liquid Flow for Rapid, High-Resolution In Situ Imaging with Electrons. J. Phys. Chem. Lett. 4, 2339-2347 (2013).
  43. Mouri, K., Saito, S., Yamaguchi, S. Highly Flexible π-Expanded Cyclooctatetraenes: Cyclic Thiazole Tetramers with Head-to-Tail Connection. Angew. Chem. Int. Ed. 51, 5971-5975 (2012).
  44. Mouri, K., Saito, S., Hisaki, I., Yamaguchi, S. Thermal 8π electrocyclic reaction of heteroarene tetramers: new efficient access to π-extended cyclooctatetraenes. Chem. Sci. 4, 4465-4469 (2013).
  45. Rosenberg, M., Dahlstrand, C., Kilså, K., Ottosson, H. Excited State Aromaticity and Antiaromaticity: Opportunities for Photophysical and Photochemical Rationalizations. Chem. Rev. 114, 5379-5425 (2014).
  46. Kato, T., Mizoshita, N., Kishimoto, K. Functional Liquid-Crystalline Assemblies: Self-Organized Soft Materials. Angew. Chem. Int. Ed. 45, 38-68 (2006).
  47. Rosen, B. M., et al. Dendron-Mediated Self-Assembly, Disassembly, and Self-Organization of Complex Systems. Chem. Rev. 109, 6275-6540 (2009).
  48. Fukazawa, N., et al. Time-Resolved Infrared Vibrational Spectroscopy of the Photoinduced Phase Transition of Pd(dmit)2 Salts Having Different Orders of Phase Transition. J. Phys. Chem. C. 117, 13187 (2013).
  49. Mukuta, T., et al. Infrared Vibrational Spectroscopy of [Ru(bpy)2(bpm)]2+ and [Ru(bpy)3]2+ in the Excited Triplet State. Inorg. Chem. 53, 2481-2490 (2014).
  50. Tanaka, S., Takahashi, K., Hirahara, M., Yagi, M., Onda, K. Characterization of the excited states of distal-. and proximal-.[Ru(tpy)(pynp)OH2]2+ in aqueous solution using time-resolved infrared spectroscopy. J. Photochem. Photobio. A. 313, 87-98 (2015).
  51. Mukuta, T., Tanaka, S., Inagaki, A., Koshihara, S., Onda, K. Direct Observation of the Triplet Metal-Centered State in [Ru(bpy)3]2+ Using Time-Resolved Infrared Spectroscopy. ChemistrySelect. 1, 2802-2807 (2016).
  52. Epp, S. W., et al. Time zero determination for FEL pump-probe studies based on ultrafast melting of bismuth. Str. Dyn. 4, 054308 (2017).
  53. Hada, M., et al. Cold ablation driven by localized forces in alkali halides. Nat. Commun. 5, 3863 (2014).
  54. Hada, M., et al. Ultrafast time-resolved electron diffraction revealing the nonthermal dynamics of near-UV photoexcitation-induced amorphization in Ge2Sb2Te5. Sci. Rep. 5, 13530 (2015).
  55. Hada, M., et al. Evaluation of Damage Layer in an Organic Film with Irradiation of Energetic Ion Beams. Jpn. J. Appl. Phys. 49, 036503 (2010).
  56. Hada, M., et al. Bandgap modulation in photoexcited topological insulator Bi2Te3 via atomic displacements. J. Chem. Phys. 145, 024504 (2016).
  57. Manz, S., et al. Mapping atomic motions with ultrabright electrons: towards fundamental limits in space-time resolution. Faraday Discuss. 77, 467-491 (2015).

Tags

Photoresponsive Liquid CrystalsStructural DynamicsTime-resolved IR Vibrational SpectroscopyDifferential IR SpectrumDifferential Electron DiffractionPi-COTLiquid Crystal Phase SampleTitanium-sapphire LaserChirped Pulse AmplifierMercury-cadmium-tellurium IR DetectorTransient SignalFlow CellMotorized StageLaser-induced Damage
check_url/57612?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Hada, M., Saito, S., Sato, R., Miyata, K., Hayashi, Y., Shigeta, Y., Onda, K. Novel Techniques for Observing Structural Dynamics of Photoresponsive Liquid Crystals. J. Vis. Exp. (135), e57612, doi:10.3791/57612 (2018).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image