Hög kontrast och snabb Photorheological växling av en twist-Bend Nematic flytande kristall
Summary
Detta protokoll visar utarbetandet av ett photorheological material som uppvisar en solid fas, olika flytande kristallina faser, och en isotrop flytande fas genom att öka temperaturen. Presenteras här är metoder för att mäta struktur-viskoelasticiteten förhållandet av materialet.
Abstract
Smarta viskoelastiska material som reagerar på specifika stimuli är en av de mest attraktiva klasserna av material som är viktiga för framtida teknologier, såsom on-demand-omkopplingsbar vidhäftnings teknik, ställdon, molekyl kopplingar och nano-/mikroskopisk massa Transportörer. Nyligen konstaterades det att genom en speciell solid-Liquid övergång, reologiska egenskaper kan uppvisa betydande förändringar, vilket ger lämpliga smarta viskoelastiska material. Men att designa material med en sådan egenskap är komplicerat, och framåt och bakåt kopplingstider är oftast långa. Därför är det viktigt att utforska nya arbetsmekanismer för att förverkliga flytande övergångar, förkorta växlingstiden och förstärka kontrasten av reologiska egenskaper vid växling. Här observeras en ljus-inducerad kristall-flytande fasövergång, som kännetecknas med hjälp av polariserande ljusmikroskop (POM), photorheometry, Foto-differential skanning calorimetri (Photo-DSC), och röntgendiffraktion (XRD). Den ljus-inducerad Crystal-Liquid fasövergång presenterar viktiga funktioner som (1) snabb växling av kristall-flytande faser för både framåt och bakåt reaktioner och (2) ett hög kontrastförhållande av viskoelasticiteten. I karaktäriseringen, POM är fördelaktigt att erbjuda information om den rumsliga fördelningen av LC molekyl riktlinjer, bestämma vilken typ av flytande kristallina faser som förekommer i materialet, och studera orientering LCs. Photorheometry möjliggör mätning av ett materials reologiska egenskaper underlätta stimuli och kan avslöja fotorheologiska växlings egenskaper hos material. Photo-DSC är en teknik för att undersöka termodynamisk information om material i mörker och under ljus bestrålning. Slutligen tillåter XRD studier av mikroskopiska material strukturer. Målet med denna artikel är att tydligt presentera Hur man förbereder och mäter de diskuterade egenskaperna hos ett photorheological material.
Introduction
Smarta mekaniska material med förmåga att ändra sina viskoelastiska egenskaper som svar på miljö variationer har genererat ett enormt intresse bland forskarna. Switchability anses vara den viktigaste material faktorn, som ger robusthet av repetitiva mekaniska svar i levande organismer. Till datum, konstgjorda omkopplingsbara material med mångsidiga funktioner har utformats genom att använda mjuka materia (dvs, photoresponsive hydrogeler1,2,3, polymerer4,5, 6,7,8,9,10,11, flytande kristaller [LCS]9,10,11, 12,13,14,15,16,17, pH-mottaglig miceller18,19,20 ,21,22och tensider23). Men dessa material lider av mer än ett av följande problem: brist på reversibilitet, låg växling kontrastförhållande av viskoelasticiteten, låg adaptivitet, och långsam växling hastighet. I konventionella material finns en kompromiss mellan växling kontrastförhållandet av viskoelasticiteten och växling rusar; Därför är det utmanande att designa material som täcker alla dessa kriterier med hög prestanda. Att förverkliga material med ovan nämnda omnicapability, välja eller designa molekyler som bär framväxande naturens av både hög smidighet (trögflytande egendom) och styvhet (elastisk egendom) är viktigt.
Flytande kristaller är idealiska system med ett potentiellt stort antal flytande kristallina och fasta faser som kan stämmas av molekylär design. Detta möjliggör självmonterade strukturer vid olika längdskalor i synnerhet LC faser. Till exempel, medan hög symmetri nematic LCs (NLCs) uppvisar låg viskositet och elasticitet på grund av deras korta räckvidd rumslig ordning, låg symmetri kolumnar eller smectic LCs visar hög viskositet och elasticitet på grund av en-och två-dimensionell lång räckvidd periodiciteter. Det förväntas att om LC-material kan växlas mellan två faser med stora skillnader i deras viskoelastiska egenskaper, då ett viskoelastiskt Smart material med hög prestanda kan uppnås. Några exempel har rapporterats9,10,11,12,13,14,15.
Denna artikel visar utarbetandet av en photorheological LC material med en fas sekvens av isotrop (I)-nematic (N)-twist-Bend nematic (TB)24-Crystal (Cry) vid kylning (och vice versa vid uppvärmning), som uppvisar snabb och reversibel viskoelastiska växling som svar på ljus. Presenteras här är metoderna för att mäta viskoelasticiteten och en illustration av den mikroskopiska struktur-viskoelasticiteten relation. Detaljerna beskrivs i de representativa resultaten och diskussions avsnitten.
Protocol
Representative Results
Discussion
Som framgår av figur 1är CB6OABOBu ett fotoresponsivt material med I, N, TB och Cry-fassekvenser vid kylning. Eftersom lokala beställning av dessa faser skiljer sig avsevärt, Foto-driven växling av reologiska egenskaper förväntas uppvisa bra viskoelastiska kontrast. För att kvantitativt undersöka detta, Foto-reologi mätningar utfördes.
Först betraktar vi de reologiska data som mäts i mörkret (figur 2a, r…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av det bilaterala gemensamma forskningsprojektet HAS-JSPS. Finansiellt stöd från bidrag NKFIH PD 121019 och FK 125134 erkänns.
Materials
| 21-401-10 | AS ONE | Microspatula | |
| AL1254 | JSR | Planar alignment agent for liquid crystals | |
| BX53P | Olympus | Polarising microscope with transmission/epi-illumination units | |
| Discovery DSC 25P | TI instruments | Photo-DSC equipment | |
| Glass cutter PRO-1A | Sankyo | A diamond-based glass cutter | |
| HS82 | Mettler Toledo | hot stage | |
| MCR502 | Anton Paar | A commercial rheometer | |
| MRJ-100S | EHC | Rubbing machine | |
| Norland Optical Adhesive 65, 81 | Norland Products | Photoreactive adhesions | |
| OmniCure S2000 | Excelitas Technologies | A commericial high-pressure mercury vapor short arc lamp. Maximum 70 mW/cm^2. | |
| PILATUS 6M | Dectris | Hybrid photon counting detector for X-ray diffraction dectection | |
| S1126 | Matsunami Glass | Glass substrate | |
| SC-158H | EHC | Spin coater | |
| SCAT-20X | DKS | Alkaline detergent | |
| SLUV-4 | AS ONE | Low-pressure mercury vapor short arc lamp | |
| UV-208 | Technovision | Ultraviolet-ozone (UV-O3) cleaner |
References
- Grindy, S. C., Holten-Andersen, N. Bio-inspired metal-coordinate hydrogels with programmable viscoelastic material functions controlled by longwave UV light. Soft Matter. 13, 4057-4065 (2017).
- Rosales, A. M., Mabry, K. M., Nehls, E. M., Anseth, K. S. Photoresponsive elastic properties of azobenzene-containing poly(ethylene-glycol)-based hydrogels. Biomacromolecules. 16, 798-806 (2015).
- Chang, D., Yan, W., Yang, Y., Wang, Q., Zou, L. Reversible light-controllable intelligent gel based on simple spiropyran-doped with biocompatible lecithin. Dyes and Pigments. 134, 186-189 (2015).
- Irie, M., Hirano, Y., Hashimoto, S., Hayashi, K. Photoresponsive Polymers. 2. Reversible Solution Viscosity Change of Polymamides Having Azobenzene Residues in the Main Chain. Macromolecules. 14, 262-267 (1981).
- Ito, S., Akiyama, H., Sekizawa, R., Mori, M., Yoshida, M., Kihara, H. Light-Induced Reworkable Adhesives Based on ABA-type Triblock Copolymers with Azopolymer Termini. ACS Applied Materials and Interfaces. 10, 32649-32658 (2018).
- Yamamoto, T., Norikane, Y., Akiyama, H. Photochemical liquefaction and softening in molecular materials, polymers, and related compounds. Polymer Journal. 50, 551-562 (2018).
- Petr, M., Helgeson, M. E., Soulages, J., McKinley, G. H., Hammond, P. T. Rapid Viscoelastic Switching of an Ambient Temperature Range Photoresponsive Azobenzene Side-chain Liquid Crystal Polymer. Polymer. 54, 2850-2856 (2013).
- Han, G. G. D., Li, H., Grossman, J. C. Optically controlled long-term storage and release of thermal energy in phase-change materials. Nature Communications. 8, 1-10 (2017).
- Akiyama, H., Yoshida, M. Photochemically Reversible Liquefaction and Solidification of Single Compounds Based on a Sugar Alcohol Scaffold with Multi Azo-Arms. Advanced Materials. 24, 2353-2356 (2012).
- Akiyama, H., et al. Photochemically reversible liquefaction and solidification of multiazobenzene sugar-alcohol derivatives and application to reworkable adhesives. ACS Applied Materials and Interfaces. 6, 7933-7941 (2014).
- Akiyama, H., Fukata, T., Yamashita, A., Yoshida, M., Kihara, H. Reworkable adhesives composed of photoresponsive azobenzene polymer for glass substrates. Journal of Adhesion. 93, 823-830 (2017).
- Norikane, Y., et al. Photoinduced Crystal-to-Liquid Phase Transitions of Azobenzene Derivatives and Their Application in Photolithography Processes through a Solid-Liquid Patterning. Organic Letters. 16, 5012-5015 (2014).
- Kim, D. Y., Lee, S. A., Kim, H., Kim, S. M., Kim, N., Jeong, K. U. An azobenzene-based photochromic liquid crystalline amphiphile for a remote-controllable light shutter. Chemical Communications. 51, 11080 (2015).
- Saito, S., et al. Light-melt adhesive based on dynamic carbon frameworks in a columnar liquid-crystal phase. Nature Communications. 7, 1-7 (2016).
- Peng, S., Guo, Q., Hughes, T. C., Hartley, P. G. Reversible Photorheological Lyotropic Liquid Crystals. Langmuir. 30, 866-872 (2014).
- Ito, S., Yamashita, A., Akiyama, H., Kihara, H., Yoshida, M. Azobenzene-Based (Meth)acrylates: Controlled Radical Polymerization, Photoresponsive Solid–Liquid Phase Transition Behavior, and Application to Reworkable Adhesives. Macromolecules. 51, 3243-3253 (2018).
- Yue, Y., Norikane, Y., Azumi, R., Koyama, E. Light-induced mechanical response in crosslinked liquid-crystalline polymers with photoswitchable glass transition temperatures. Nature Communications. 9, 1-8 (2018).
- Lee, H. Y., Diehn, K. K., Sun, K., Chen, T., Raghavan, S. R. Reversible Photorheological Fluids Based on Spiropyran-Doped Reverse Micelles. Journal of the American Chemical Society. 133, 8461-8463 (2011).
- Su, X., Cunningham, M. F., Jessop, P. G. Switchable viscosity triggered by CO2 using smart worm-like micelles. Chemical Communications. 49, 2655-2657 (2013).
- Cho, M. Y., Kim, J. S., Choi, H. J., Choi, S. B., Kim, G. W. Ultraviolet light-responsive photorheological fluids: as a new class of smart fluids. Smart Materials and Structures. 26, 1-8 (2017).
- Oh, H., et al. A simple route to fluids with photo-switchable viscosities based on a reversible transition between vesicles and wormlike micelles. Soft Matter. 9, 5025-5033 (2013).
- Akamatsu, M., et al. Photoinduced viscosity control of lecithin-based reverse wormlike micellar systems using azobenzene derivatives. RSC Advances. 8, 23742-23747 (2018).
- Song, B., Hu, Y., Zhao, J. A single-component photo-responsive fluid based on a gemini surfactant with an azobenzene spacer. Journal of Colloid and Interface Science. 333, 820-822 (2009).
- Borshch, V., et al. Nematic twist-bend phase with nanoscale modulation of molecular orientation. Nature Communications. 4, 2635-2643 (2013).
- Panov, V. P., et al. Spontaneous Periodic Deformations in Nonchiral Planar-Aligned Bimesogens with a Nematic-Nematic Transition and a Negative Elastic Constant. Physical Review Letters. 105, 1-4 (2010).
- Aya, S., et al. Fast-and-Giant Photorheological Effect in a Liquid Crystal Dimer. Advanced Materials Interfaces. 6, 1-7 (2019).
- Ishiba, K., et al. Photoliquefiable ionic crystals: A phase crossover approach for photon energy storage materials with functional multiplicity. Angewandte Chemie International Edition. 54, 1532-1536 (2015).
- Zhou, H., et al. Photoswitching of glass transition temperatures of azobenzene-containing polymers induces reversible solid-to-liquid transitions. Nature Chemistry. 9, 145-151 (2017).
