观测 Photoresponsive 液晶结构动力学的新方法

Masaki Hada; Shohei Saito; Ryuma Sato; Kiyoshi Miyata; Yasuhiko Hayashi; Yasuteru Shigeta; Ken Onda

doi:10.3791/57612

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摘要

在这里, 我们提出了时间分辨红外振动光谱和电子衍射差分检测分析的协议, 使对 photoexcited 分子在柱状体周围局部结构变形的观测液晶, 对这种感光材料的结构与动力学的关系给出了一个原子视角。

摘要

本文讨论了用时间分辨红外 (IR) 振动光谱和时间分辨电子衍射对液晶 (LC) 相中分子的实验测量。液晶相是固体和液相之间存在的重要物质状态, 在自然系统以及有机电子学中是常见的。液晶是 orientationally 有序的, 但松散的包装, 因此, 可通过外部刺激修改 LCs 分子成分的内部构象和对齐。尽管先进的时间分辨衍射技术已经揭示了单晶体和多晶体的皮秒尺度分子动力学, 但对填料结构的直接观测和软材料的超快动力学却受到模糊衍射图案。在这里, 我们报告时间分辨红外振动光谱学和电子衍射获取一个柱状 LC 材料轴承感光核心基团的超快快照。时间分辨红外振动光谱与电子衍射相结合的差分检测分析是软材料结构表征和光致动力学的有力工具。

引言

液晶 (LCs) 具有多种功能, 广泛应用于科技应用领域¹^,²^,³^,⁴^,⁵^,⁶。LCs 的行为可以归结为他们的取向排序以及他们的分子的高机动性。lc 材料的分子结构通常以基团芯和长柔性碳链为特征, 保证 lc 分子的高流动性。在外部刺激下⁷^,⁸^,⁹^,¹⁰^,¹¹,¹²^,¹³^,¹⁴^,¹⁵, 如光、电场、温度变化或机械压力, LC 分子的小内和分子间运动会导致系统结构重新排列, 从而导致其功能行为。为了了解 lc 材料的作用, 确定 lc 相的分子尺度结构, 确定分子构象和填料变形的关键运动是重要的。

x 射线衍射 (XRD) 通常被用来作为一个强大的工具来确定 LC 材料的结构¹⁶^,¹⁷^,¹⁸。然而, 由功能刺激反应的核心产生的衍射模式常常被长碳链中的宽晕模式所掩盖。通过时间分辨衍射分析, 可以有效地解决这一问题, 通过 photoexcitation 对分子动力学进行直接观察。该技术利用 photoexcitation 前后衍射模式的差异, 提取 photoresponsive 芳香基团的结构信息。这些差异提供了消除背景噪声和直接观察兴趣结构变化的手段。对差分衍射模式的分析仅揭示了感光基团的调制信号, 从而排除了非 photoresponsive 碳链的有害衍射。在哈达、m et al¹⁹中提供了这种微分衍射分析方法的描述。

时间分辨衍射测量可以提供关于在材料的相变过程中发生的原子重排的结构信息²⁰^,²¹^,²²^,²³^,²⁴^,²⁵^,²⁶^,²⁷^,²⁸^,²⁹和分子之间的化学反应³⁰^,³¹^,³²^,³³^,³⁴。考虑到这些应用, ultrabright 和超短脉冲 X 射线³⁵^、³⁶和电子³⁷^、³⁸^、³⁹的开发取得了显著进展。^,⁴⁰源。然而, 时间分辨衍射只适用于简单的, 孤立的分子或单或多晶, 其中高度有序的无机晶格或有机分子产生良好的解析衍射模式提供结构信息。相比之下, 较复杂的软材料的超快结构分析由于它们的有序阶段较少而受到阻碍。在本研究中, 我们演示了利用时间分辨电子衍射以及瞬态吸收光谱和时间分辨红外 (IR) 振动光谱学来表征感光 LC 材料的结构动力学, 使用此衍射提取方法¹⁹。