Diese Arbeit wurde von JSPS KAKENHI Grant Nummer 16H06037 unterstützt. Wir danken Dr. Yuji Sasaki in der Hokkaido Universität für technische Unterstützung für HR-DSC.

1. Herstellung der Flüssigkristall-Ausrichtungsschicht eines Perfluorpolymers auf Glassubstraten <ol><li> Herstellung der Perfluorpolymerlösung <ol><li> 1 ml der Perfluorpolymerlösung durch Auflösen einer Perfluorpolymerlösung (9 Gew .-% Polymer) in einem handelsüblichen Lösungsmittel im Verhältnis 1: 2 zubereiten; Damit werden gleichmäßige, mit einer Dicke von 0,5-1 μm dicke Folien beschichtet. HINWEIS: Bitte beachten Sie die Materialliste für die verwendete Lösung und das Lösungsmittel. </li></ol></li><li> Beschichtung des Perfluorpolymers auf saubere Glassubstrate <ol><li> Waschen Sie die Glassubstrate (typische Größe: 1 cm x 1 cm) durch Beschallung bei 38 oder 42 kHz in einem alkalischen Reinigungsmittel. Wiederholt mit destilliertem Wasser spülen. Typischerweise spülen Sie mehr als 10 mal, mit 5 min Beschallung jedes Mal. </li><li> Die Substrate dem UV-O 3 -Reiniger für 10 min unterziehen. </li><li> 20 μl der Lösung aus Schritt 1.1 auf das gereinigte Glas substraTes Die Lösung bei 3.500 U / min und Raumtemperatur für 70 s sofort abspülen. Den Film bei 80 ° C für 60 min backen, um das Lösungsmittel zu entfernen und bei 200 ° C für 60 min zum Aushärten. </li></ol></li></ol> 2. Vorbereitung von LC-Zellen <ol><li> Kleben Sie zwei mit einem Film beschichtete Glassubstrate zusammen mit einem photohärtbaren Harz und einer LED-Lampe mit einer Wellenlänge von 365 nm (1,1 W / cm 2 ). Stellen Sie die Dicke des Spalts zwischen den beiden Substraten im Bereich von 2-100 μm unter Verwendung von Glaspartikeln oder Polyethylennaphthalatfilmen ein. </li><li> Ein LC-Material, 4&#39;-Butyl-4-heptyl-bicyclohexyl-4-carbonitril (CCN47; 0,2-10 μl) 9 zu den vorbereiteten LC-Zellen unter Verwendung eines Spatels unter Kapillarkraft bei einer Temperatur höher als die isotrope Flüssigkeit (I) -nematische (N) Phasenübergangstemperatur. HINWEIS: CCN47 hat eine negative dielektrische Anisotropie und die Phasenfolge ist Cry 298.6 K SmA 301.3 KN 331.3 KI, wo Cry und SmA für Kristall- und smektische A-Phasen stehen. Führen Sie CCN47 nicht in die N-Phase oder die SmA-Phase ein, da eine durchflussinduzierte Ausrichtung gefördert werden würde. </li></ol> 3. Mustercharakterisierung <ol><li> Texturbeobachtung durch polarisierende optische Mikroskopie (POM) 10 <ol><li> Beachten Sie die LC-Zellen unter POM mit 4-100X Objektivlinsen in Verbindung mit einer Heißstufe, um die Probentemperatur mit ± 0,1-K Genauigkeit zu steuern. Notieren Sie die Texturen in mehr als 5 Frames, in gleichmäßigen Intervallen pro Kelvin. Verwenden Sie eine digitale Farbkamera nacheinander, sowohl beim Kühlen als auch beim Heizen im Bereich von 291-343 K. </li></ol></li><li> Dielektrische Spektroskopie (DS) 11 <ol><li> Bereiten Sie LC-Zellen mit ITO-Elektroden vor, die eine quadratische oder kreisförmige Form haben und kommerziell erworben werden können - auf beiden Substraten. Löten Sie einen Leitungsdraht zu jedem Substrat. HINWEIS: Bitte beachten Sie die Materialliste für die verwendeten Substrate. </li><li> Messen Sie die Kapazitäts- oder Dielektrizitätskonstante der LC-Zellen genau wie für POM verwendet, indem Sie einen handelsüblichen Impedanz- / Verstärkungsphasen-Analysator verwenden. Stellen Sie sicher, dass der Zustand der Proben vor jeder Messung äquilibriert wird. Messen Sie die zeitabhängige Abhängigkeit der Kapazitanz oder der Dielektrizitätskonstante der LC-Zellen, indem Sie die Kapazität der LC-Zellen manuell alle 5 min messen. </li><li> Starten Sie die DS-Messung nur, wenn die Kapazitäts- oder Dielektrizitätskonstante der LC-Zellen nicht zeitabhängig ist. </li></ol></li><li> Hochauflösende Differential-Scanning-Kalorimetrie (HR-DSC) 12 <ol><li> Setzen Sie die LC-Zellen in eine hausgemachte HR-DSC, um genau zu untersuchen, genau wie in POM ( verwenden Sie nie DSC-Pfannen). Siehe Referenz 12, um eine HR-DSC zu entwerfen und zu bauen und zu lernen, wie man sie benutzt. Führen Sie Messungen mit Abtastraten von 0,05-0,10 K / min durch, um die minimale Temperaturauflösungskraft zu erhöhenEr. </li></ol></li><li> Weidende Röntgenbeugung (GI-XRD) 13 <ol><li> Setzen Sie entweder die LC-Zelle (für POM oder DSC) oder eine Probe mit einem 2 bis 5 μl Tröpfchen von CCN47 auf ein beschichtetes Substrat auf der GI-XRD-Probenstufe, die mit einem Temperaturregler ausgestattet sein sollte. </li><li> Die Probe für mehr als 10 min bei gewünschten Temperaturen im Bereich von 291-343 K, sowohl beim Abkühlen als auch beim Erwärmen, ausgleichen. </li><li> Verwenden Sie einen einfallenden Röntgenstrahl auf der Probe, mit einem Minuteneinfallwinkel um 0,05-0,10 °, um Oberflächeninformationen über molekulare Orientierung und Ordnungen / Strukturen zu extrahieren. Schwenken Sie den Einfallswinkel des Röntgenstrahls, um den optimalen Einfallswinkel zu finden, bei dem die Stärke der Beugung am stärksten ist. Nehmen Sie die Messungen am optimalen Einfallswinkel vor. HINWEIS: Denken Sie daran, dass GI-XRD es ermöglicht, Grenzflächen-Besonderheiten auf der Nanometer-Skala zu untersuchen und damit das Signal von dünnen L zu maximierenAyers bei gleichzeitiger Minimierung des Signals von der Masse. Beachten Sie, dass normale XRD-Geometrien, außer GI-XRD, keine oberflächenempfindlichen Methoden sind, da das Röntgenstrahlenbündel eine große Eindringtiefe in Materialien aufweist. </li></ol></li></ol>

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Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

Die 10x POM-Bilder, die unter Verwendung einer 5-μm-LC-Zelle aufgenommen wurden ( Fig. 1a und b ) zeigen deutlich, daß der Orientierungszustand der Bulk-LC-Moleküle zwischen der P- und der V-Orientierung bei einer Temperaturänderung in einer Weise erster Ordnung transitiert. Dies ist durch die Domänen-Keimbildung und Wachstumsprozesse gekennzeichnet, wobei eine neue Orientierung von der ursprünglichen Orientierung um 90 ° abweicht. Die Übergangstemperaturen bei Kühlung und Erw?...

In den letzten Jahren gab es zunehmendes Interesse daran, wie dynamische molekulare Merkmale und Strukturen von Oberflächenmolekülen in Reaktion auf externe Reize die Massenorientierung von Materialien in LC-Zuständen beeinflussen könnten. Ein Beispiel ist, LC-Biosensoren als neue Anwendung von LCs 1 , 2 zu verwenden. Um zu quantifizieren, wie viele Ziel-Bio-Spezies erkannt werden, ist es wichtig zu wissen, wie sich die Grenzflächen-LCs, die mit adhärierenden Zielmolekülen in Kontakt kommen, verändern und sich entwickeln, während sie auch erkennen und wie sie ihre Eigenschaften in die Masse übertragen / übersetzen. Mit Modellen, um diese Antworten zu verfolgen, begannen wir mit Systemen, die ihre Oberflächen molekularen Orientierung und Kurzstreckenordnungen thermodynamisch variieren. Diese Systeme erlauben es uns, die Änderungen der Oberflächenorientierung und der Ordnungen mit der daraus resultierenden Massenorientierung systematisch zu korrelieren. In letzter Zeit fanden wir mehrere LC-Systeme, die oRientationalen Übergängen, bei denen sich eine spontane molekulare Molekülorientierung mit der Temperatur ändert. Grundsätzlich können Orientierungsübergänge entweder in quasi-zweiter Ordnung 3 , 4 oder quasi-erster Ordnung 5 , 6 , 7 , 8 kategorisiert werden. Erstere begleitet von einer kontinuierlichen molekularen Umorientierung bei Temperaturänderungen, während die letztere eine diskontinuierliche zeigt. In diesem Artikel beschreiben wir einen Orientierungsübergang in quasi-erster Ordnung zwischen den P- und den V-Orientierungszuständen. Es verläuft in der einzigen nematischen (N) Phase durch Änderung der Temperatur. Details werden in den repräsentativen Ergebnissen und der Diskussion zur Verfügung gestellt. Da die Orientierungsänderung in der Masse durch eine Veränderung der Oberflächenmolekularorientierung und Kurzschluss bestimmt werden sollte-Anordnungen ist es offensichtlich, dass dieses System potenziell Einblicke darüber geben kann, wie sich die thermodynamische Variation der Oberflächenmolekularorientierung und der Kurzstreckenordnung auf die Massenorientierung auswirkt. In diesem Artikel haben wir mit dem Ziel, die oben erwähnten Fragen zu verstehen, drei Probleme mit vier komplementären Methoden ( dh POM, DS, HR-DSC und GI-XRD) in Angriff genommen: (1) Wie sieht der Orientierungsübergang aus? (2) Ist der Orientierungsübergang thermisch erkennbar? (3) Warum und wie kommt der Orientierungsübergang zustande?

<table><tbody><tr><td>CYTOP</td><td>Asahi Glass Co. Ltd.</td><td>CTX-809A</td><td></td></tr><tr><td>Solvent for CYTOP</td><td>Asahi Glass Co. Ltd.</td><td>CT-180 Sol.</td><td></td></tr><tr><td>Alkaline detergent</td><td>Merck KGaA</td><td>Extran MA01</td><td></td></tr><tr><td>NOA61</td><td>Norland Products, Inc.</td><td>#37-322</td><td>Purchasable from Edmund Optics</td></tr><tr><td>AL1254</td><td>JSR Corporation</td><td></td><td>Planar alignment material in self-made cells</td></tr><tr><td>4&amp;rsquo;-butyl-4-heptyl-bicyclohexyl-4-carbonitrile</td><td>Nematel GmbH &amp;amp; Co. KG</td><td></td><td>Custom-made</td></tr><tr><td>UV-O&lt;sub&gt;3&lt;/sub&gt; cleaner</td><td>Technovision Inc.</td><td>UV-208</td><td></td></tr><tr><td>Hot-stage system</td><td>Mettler Toledo</td><td>HS82</td><td></td></tr><tr><td>High-Definition Color Camera Head</td><td>Nikon</td><td>DS-Fi1</td><td></td></tr><tr><td>Impedance/gain-phase analyzer</td><td>Solartron Analytical</td><td>1260</td><td></td></tr><tr><td>Indium Tin Oxide (ITO)-coated substrate</td><td>GEOMATEC Co. Ltd.</td><td></td><td>Custom-made</td></tr></tbody></table>

orientational transition in a liquid crystal triggered by the thermodynamic growth of interfacial wetting sheets

In der Flüssigkristall- (LC) -Physikalischen Chemie spielen Moleküle in der Nähe der Oberfläche eine große Rolle bei der Kontrolle der Bulk-Orientierung. So weit, vor allem um die gewünschten molekularen Orientierungszustände in LC-Displays zu erreichen, wurde die &quot;statische&quot; Oberflächeneigenschaft von LCs, so genannte Oberflächenverankerung, intensiv untersucht. Als Faustregel gilt, sobald die anfängliche Orientierung der LCs durch spezifische Oberflächenbehandlungen, wie Reiben oder Behandlung mit einer bestimmten Ausrichtungsschicht, &quot;verriegelt&quot; ist, ändert sie sich kaum mit der Temperatur. Hier präsentieren wir ein System, das einen Orientierungsübergang bei Temperaturschwankungen aufweist, der mit dem Konsens in Konflikt steht. Direkt am Übergang erleben die Bulk-LC-Moleküle die Orientierungsdrehung mit 90 ° zwischen der planaren (P) Orientierung bei hohen Temperaturen und der vertikalen (V) Orientierung bei niedrigen Temperaturen in der Übergangsweise erster Ordnung. Wir haben das thermodynamische Oberflächenverankerungsverhalten mittels polarisierender optischer Mikroskopie verfolgt (S.OM), dielektrische Spektroskopie (DS), hochauflösende Differential-Scanning-Kalorimetrie (HR-DSC) und Weide-Röntgenbeugung (GI-XRD) und erreichten eine plausible physikalische Erklärung: dass der Übergang durch ein Flächenwachstum ausgelöst wird Benetzungsblätter, die die V-Orientierung lokal gegen die P-Orientierung in der Masse auferlegen. Diese Landschaft würde eine allgemeine Verknüpfung geben, die erklärt, wie die Gleichgewichts-Bulk-Orientierung von der oberflächenorientierten Orientierung in vielen LC-Systemen beeinflusst wird. In unserer Charakterisierung sind POM und DS vorteilhaft, indem sie Informationen über die räumliche Verteilung der Orientierung von LC-Molekülen liefern. HR-DSC gibt Auskunft über die präzisen thermodynamischen Informationen über Übergänge, die durch konventionelle DSC-Geräte aufgrund begrenzter Auflösung nicht angesprochen werden können. GI-XRD informiert über die oberflächenspezifische molekulare Orientierung und Kurzstreckenordnungen. Das Ziel dieser Arbeit ist es, ein Protokoll für die Vorbereitung einer Probe, die die Transi zeigt, zu präsentierenUm zu zeigen, wie die thermodynamische Strukturvariation sowohl in der Masse als auch auf den Oberflächen durch die oben genannten Methoden analysiert werden kann.

POM-Bilder, DS-Daten, HR-DSC-Daten und GI-XRD-Muster wurden während der Temperaturschwankung gesammelt, insbesondere in der Nähe des Orientierungsübergangs beim Kühlen und Erwärmen. Fig. 1 stellt die Entwicklung der durch POM- und DS-Messungen durchgeführten Textur während der POM-Beobachtung des Orientierungsübergangs vom P (V) zum V (P) -Organisationszustand während des Kühlens (Heizen...

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Orientational Transition in a Liquid Crystal Triggered by the Thermodynamic Growth of Interfacial Wetting Sheets

Hier stellen wir ein Protokoll vor, um einen Orientierungsübergang eines Flüssigkristalls in Abhängigkeit von der Temperatur auszulösen. Es werden Methoden für die Vorbereitung einer Probe beschrieben, um den Übergang und die detaillierte Übergangsentwicklung zu beobachten.

Orientationaler Übergang in einem Flüssigkristall, der durch das thermodynamische Wachstum von Grenzflächenbetonplatten ausgelöst wird

In liquid crystal (LC) physical chemistry, molecules near the surface play a great role in controlling bulk orientation. Thus far, mainly to achieve ...

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Research

JoVE Journal

Engineering

7.1K Aufrufe.  RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS).  Hier stellen wir ein Protokoll vor, um einen Orientierungsübergang eines Flüssigkristalls in Abhängigkeit von der Temperatur auszulösen. Es werden Methoden für die Vorbereitung einer Probe beschrieben, um den Übergang und die detaillierte Übergangsentwicklung zu beobachten. 

Serie: Orientational Transition in a Liquid Crystal Triggered by the Thermodynamic Growth of Interfacial Wetting Sheets

Dry Oxidation and Vacuum Annealing Treatments for Tuning the Wetting Properties of Carbon Nanotube Arrays

In this article, we describe a simple method to reversibly tune the wetting properties of vertically aligned carbon nanotube (CNT) arrays. Here, CNT arrays are defined as densely packed multi-walled carbon nanotubes oriented perpendicular to the growth substrate as a result of a growth process by the standard thermal chemical vapor deposition (CVD) technique.1,2 These CNT arrays are then exposed to vacuum annealing treatment to make them more hydrophobic or to dry oxidation treatment to render them more hydrophilic. The hydrophobic CNT arrays can be turned hydrophilic by exposing them to dry oxidation treatment, while the hydrophilic CNT arrays can be turned hydrophobic by exposing them to vacuum annealing treatment. Using a combination of both treatments, CNT arrays can be repeatedly switched between hydrophilic and hydrophobic.2 Therefore, such combination show a very high potential in many industrial and consumer applications, including drug delivery system and high power density supercapacitors.3-5
The key to vary the wettability of CNT arrays is to control the surface concentration of oxygen adsorbates. Basically oxygen adsorbates can be introduced by exposing the CNT arrays to any oxidation treatment. Here we use dry oxidation treatments, such as oxygen plasma and UV/ozone, to functionalize the surface of CNT with oxygenated functional groups. These oxygenated functional groups allow hydrogen bond between the surface of CNT and water molecules to form, rendering the CNT hydrophilic. To turn them hydrophobic, adsorbed oxygen must be removed from the surface of CNT. Here we employ vacuum annealing treatment to induce oxygen desorption process. CNT arrays with extremely low surface concentration of oxygen adsorbates exhibit a superhydrophobic behavior.

This article describes a simple method to fabricate vertically aligned carbon nanotube arrays by CVD and to subsequently tune their wetting properties by exposing them to vacuum annealing or dry oxidation treatment.

Dry Oxidation und Vakuumtempern Behandlungen für Tuning der Benetzungseigenschaften von Carbon Nanotube-Arrays

In this article, we describe a simple method to reversibly  tune the wetting properties of vertically aligned carbon nanotube (CNT) arrays.  Here, CNT ...

Forschung

Ingenieurwesen

Characterization of Recombination Effects in a Liquid Ionization Chamber Used for the Dosimetry of a Radiosurgical Accelerator

Most modern radiation therapy devices allow the use of very small fields, either through beamlets in Intensity-Modulated Radiation Therapy (IMRT) or via stereotactic radiotherapy where positioning accuracy allows delivering very high doses per fraction in a small volume of the patient. Dosimetric measurements on medical accelerators are conventionally realized using air-filled ionization chambers. However, in small beams these are subject to nonnegligible perturbation effects. This study focuses on liquid ionization chambers, which offer advantages in terms of spatial resolution and low fluence perturbation. Ion recombination effects are investigated for the microLion detector (PTW) used with the Cyberknife system (Accuray). The method consists of performing a series of water tank measurements at different source-surface distances, and applying corrections to the liquid detector readings based on simultaneous gaseous detector measurements. This approach facilitates isolating the recombination effects arising from the high density of the liquid sensitive medium and obtaining correction factors to apply to the detector readings. The main difficulty resides in achieving a sufficient level of accuracy in the setup to be able to detect small changes in the chamber response.

A growing number of radiation therapy devices offer the advantage of delivering the dose through very small beams to the tumor, allowing for increased conformity and higher doses per fraction. Many different detectors can be used for the dosimetry of these small fields. In the present study, the effect of ion recombination is investigated for a liquid ionization chamber using a stereotactic radiation therapy system.

Charakterisierung der Rekombination Effekte in einer Flüssigkeit Ionisationskammer Wird für die Dosimetrie eines radiochirurgische Accelerator

Most modern radiation therapy devices allow the use of very small fields, either through beamlets in Intensity-Modulated Radiation Therapy (IMRT) or via ...

Phase Diagram Characterization Using Magnetic Beads as Liquid Carriers

Magnetic beads with ~1.9 &#181;m average diameter were used to transport microliter volumes of liquids between contiguous liquid segments with a tube for the purpose of investigating phase change of those liquid segments. The magnetic beads were externally controlled using a magnet, allowing for the beads to bridge the air valve between the adjacent liquid segments. A hydrophobic coating was applied to the inner surface of the tube to enhance the separation between two liquid segments. The applied magnetic field formed an aggregate cluster of magnetic beads, capturing a certain liquid amount within the cluster that is referred to as carry-over volume. A fluorescent dye was added to one liquid segment, followed by a series of liquid transfers, which then changed the fluorescence intensity in the neighboring liquid segment. Based on the numerical analysis of the measured fluorescence intensity change, the carry-over volume per mass of magnetic beads has been found to be ~2 to 3 &#181;l/mg. This small amount of liquid allowed for the use of comparatively small liquid segments of a couple hundred microliters, enhancing the feasibility of the device for a lab-in-tube approach. This technique of applying small compositional variation in a liquid volume was applied to analyzing the binary phase diagram between water and the surfactant C12E5 (pentaethylene glycol monododecyl ether), leading to quicker analysis with smaller sample volumes than conventional methods.

Here, we present a protocol to investigate multi-component phase diagrams using externally controlled magnetic beads as liquid carriers in a lab-in-tube approach. This approach can aid in applications that seek to gather further information on phase change in complex liquid systems.

Phasendiagramm Charakterisierung mit Magnetic Beads als flüssige Träger

Magnetic beads with ~1.9 &#181;m average diameter were used to transport microliter volumes of liquids between contiguous liquid segments with a tube for ...

Synthesis and Exfoliation of Discotic Zirconium Phosphates to Obtain Colloidal Liquid Crystals

Due to their abundance in natural clay and potential applications in advanced materials, discotic nanoparticles are of interest to scientists and engineers. Growth of such anisotropic nanocrystals through a simple chemical method is a challenging task. In this study, we fabricate discotic nanodisks of zirconium phosphate [Zr(HPO4)2&#183;H2O] as a model material using hydrothermal, reflux and microwave-assisted methods. Growth of crystals is controlled by duration time, temperature, and concentration of reacting species. The novelty of the adopted methods is that discotic crystals of size ranging from hundred nanometers to few micrometers can be obtained while keeping the polydispersity well within control. The layered discotic crystals are converted to monolayers by exfoliation with tetra-(n)-butyl ammonium hydroxide [(C4H9)4NOH, TBAOH]. Exfoliated disks show isotropic and nematic liquid crystal phases. Size and polydispersity of disk suspensions is highly important in deciding their phase behavior.

A two dimensional model material of discotic zirconium phosphate was developed. The inorganic crystal with lamellar structure was synthesized by hydrothermal, reflux, and microwave-assisted methods. On exfoliation with organic molecules, layered crystals can be converted to monolayers, and nematic liquid crystal phase was formed at sufficient concentration of monolayers.

Synthese und Exfoliation von diskotischen Zirkoniumphosphaten Erhalten Kolloidales Liquid Crystals

Due to their abundance in natural clay and potential applications in advanced materials, discotic nanoparticles are of interest to scientists and ...

Chemie

Preparation of Liquid Crystal Networks for Macroscopic Oscillatory Motion Induced by Light

A strategy based on doped liquid crystalline networks is described to create mechanical self-sustained oscillations of plastic films under continuous light irradiation. The photo-excitation of dopants that can quickly dissipate light into heat, coupled with anisotropic thermal expansion and self-shadowing of the film, gives rise to the self-sustained deformation. The oscillations observed are influenced by the dimensions and the modulus of the film, and by the directionality and intensity of the light. The system developed offers applications in energy conversion and harvesting for soft-robotics and automated systems.
The general method described here consists of creating free-standing liquid crystalline films and characterizing the mechanical and thermal effects observed. The molecular alignment is achieved using alignment layers (rubbed polyimide), commonly used in the display manufacturing industry. To obtain actuators with large deformation, the mesogens are aligned and polymerized in a splay/bend configuration, i.e., with the director of the liquid crystals (LCs) going gradually from planar to homeotropic through the film thickness. Upon irradiation, the mechanical and thermal oscillations obtained are monitored with a high-speed camera. The results are further quantified by image analysis using an image processing program.

The goal of the protocol is to create liquid crystalline polymer films that can mechanically oscillate under continuous light irradiation. We describe in great detail the conception of free-standing films, from the liquid crystal alignment method to the photo-actuation. The experimental protocol applied to prepare this material is broadly applicable.

Vorbereitung der Flüssigkristall-Netzwerke für makroskopische oszillierende Bewegung, die durch Licht induzierten

A strategy based on doped liquid crystalline networks is described to create mechanical self-sustained oscillations of plastic films under continuous ...

Novel Techniques for Observing Structural Dynamics of Photoresponsive Liquid Crystals

We discuss in this article the experimental measurements of the molecules in liquid crystal (LC) phase using the time-resolved infrared (IR) vibrational spectroscopy and time-resolved electron diffraction. Liquid crystal phase is an important state of matter that exists between the solid and liquid phases and it is common in natural systems as well as in organic electronics. Liquid crystals are orientationally ordered but loosely packed, and therefore, the internal conformations and alignments of the molecular components of LCs can be modified by external stimuli. Although advanced time-resolved diffraction techniques have revealed picosecond-scale molecular dynamics of single crystals and polycrystals, direct observations of packing structures and ultrafast dynamics of soft materials have been hampered by blurry diffraction patterns. Here, we report time-resolved IR vibrational spectroscopy and electron diffractometry to acquire ultrafast snapshots of a columnar LC material bearing a photoactive core moiety. Differential-detection analyses of the combination of time-resolved IR vibrational spectroscopy and electron diffraction are powerful tools for characterizing structures and photoinduced dynamics of soft materials.

Here, we present the protocols of differential-detection analyses of time-resolved infrared vibrational spectroscopy and electron diffraction which enable observations of the deformations of local structures around photoexcited molecules in a columnar liquid crystal, giving an atomic perspective on the relationship between the structure and the dynamics of this photoactive material.

Neuartige Techniken zur Beobachtung von Strukturdynamik von Photoresponsive Flüssigkristallen

We discuss in this article the experimental measurements of the molecules in liquid crystal (LC) phase using the time-resolved infrared (IR) vibrational ...

Microfluidic Preparation of Liquid Crystalline Elastomer Actuators

This paper focuses on the microfluidic process (and its parameters) to prepare actuating particles from liquid crystalline elastomers. The preparation usually consists in the formation of droplets containing low molar mass liquid crystals at elevated temperatures. Subsequently, these particle precursors are oriented in the flow field of the capillary and solidified by a crosslinking polymerization, which produces the final actuating particles. The optimization of the process is necessary to obtain the actuating particles and the proper variation of the process parameters (temperature and flow rate) and allows variations of size and shape (from oblate to strongly prolate morphologies) as well as the magnitude of actuation. In addition, it is possible to vary the type of actuation from elongation to contraction depending on the director profile induced to the droplets during the flow in the capillary, which again depends on the microfluidic process and its parameters. Furthermore, particles of more complex shapes, like core-shell structures or Janus particles, can be prepared by adjusting the setup. By the variation of the chemical structure and the mode of crosslinking (solidification) of the liquid crystalline elastomer, it is also possible to prepare actuating particles triggered by heat or UV-vis irradiation.

This article describes the microfluidic process and parameters to prepare actuating particles from liquid crystalline elastomers. This process allows the preparation of actuating particles and the variation of their size and shape (from oblate to strongly prolate, core-shell, and Janus morphologies) as well as the magnitude of actuation.

Mikrofluidische Vorbereitung der flüssigen kristallenen Elastomer Aktoren

This paper focuses on the microfluidic process (and its parameters) to prepare actuating particles from liquid crystalline elastomers. The preparation ...

Measuring Magnetically-Tuned Ferroelectric Polarization in Liquid Crystals

Materials showing coupling phenomena between magnetism and (ferro)electricity, i.e., magnetoelectric effects, have attracted a great deal of attention due to their potential applications for future device technologies such as sensors and storage. However, conventional approaches, which usually utilize materials containing magnetic metal ions (or radicals), have a major problem: only a few materials have been found to show the coupling phenomena at room temperature. Recently, we proposed a new approach to achieve room-temperature magnetoelectrics. In contrast to conventional approaches, our alternative proposal focuses on a completely different material, a &#34;liquid crystal&#34;, free from magnetic metal ions. In such liquid crystals, a magnetic field can be utilized to control the orientational state of constituent molecules and the corresponding electric polarization through magnetic anisotropy of the molecules; it is an unprecedented mechanism of the magnetoelectric effect. In this context, this paper provides a protocol to measure ferroelectric properties induced by a magnetic field, that is, the direct magnetoelectric effect, in a liquid crystal. With the method detailed here, we successfully detected magnetically-tuned electric polarization in the chiral smectic C phase of a liquid crystal at room temperature. Taken together with the flexibility of constituent molecules, which directly affects the magnetoelectric responses, the introduced method will serve to allow liquid crystal cells to acquire more functions as room-temperature magnetoelectrics and associated optical materials.

In this report, we present a protocol to examine direct magnetoelectric effects, i.e., induction of ferroelectric polarization by applying magnetic fields, in liquid crystals. This protocol provides a unique approach, supported by the softness of liquid crystals, to achieve room-temperature magnetoelectrics.

Messung der magnetisch gestimmten ferroelektrische Polarisation in Flüssigkristallen

Materials showing coupling phenomena between magnetism and (ferro)electricity, i.e., magnetoelectric effects, have attracted a great deal of attention due ...

Preparation of Monodomain Liquid Crystal Elastomers and Liquid Crystal Elastomer Nanocomposites

LCEs are shape-responsive materials with fully reversible shape change and potential applications in medicine, tissue engineering, artificial muscles, and as soft robots. Here, we demonstrate the preparation of shape-responsive liquid crystal elastomers (LCEs) and LCE nanocomposites along with characterization of their shape-responsiveness, mechanical properties, and microstructure. Two types of LCEs &#8212; polysiloxane-based and epoxy-based &#8212; are synthesized, aligned, and characterized. Polysiloxane-based LCEs are prepared through two crosslinking steps, the second under an applied load, resulting in monodomain LCEs. Polysiloxane LCE nanocomposites are prepared through the addition of conductive carbon black nanoparticles, both throughout the bulk of the LCE and to the LCE surface. Epoxy-based LCEs are prepared through a reversible esterification reaction. Epoxy-based LCEs are aligned through the application of a uniaxial load at elevated (160 &#176;C) temperatures. Aligned LCEs and LCE nanocomposites are characterized with respect to reversible strain, mechanical stiffness, and liquid crystal ordering using a combination of imaging, two-dimensional X-ray diffraction measurements, differential scanning calorimetry, and dynamic mechanical analysis. LCEs and LCE nanocomposites can be stimulated with heat and/or electrical potential to controllably generate strains in cell culture media, and we demonstrate the application of LCEs as shape-responsive substrates for cell culture using a custom-made apparatus.

We demonstrate the preparation of siloxane-based and epoxy-based liquid crystal elastomers (LCEs) and LCE nanocomposites. The LCEs are characterized with respect to reversible strain, liquid crystal ordering, and stiffness. As a potential application, we demonstrate their use as shape-responsive substrates in a custom device for active cell culture.

Herstellung von Monodomäne Liquid Crystal Elastomere und Liquid Crystal Elastomer Nanokomposite

LCEs are shape-responsive materials with fully reversible shape change and potential applications in medicine, tissue engineering, artificial muscles, and ...

Biotechnik

High-Contrast and Fast Photorheological Switching of a Twist-Bend Nematic Liquid Crystal

Smart viscoelastic materials that respond to specific stimuli are one of the most attractive classes of materials important to future technologies, such as on-demand switchable adhesion technologies, actuators, molecular clutches, and nano-/microscopic mass transporters. Recently it was found that through a special solid-liquid transition, rheological properties can exhibit significant changes, thus providing suitable smart viscoelastic materials. However, designing materials with such a property is complex, and forward and backward switching times are usually long. Therefore, it is important to explore new working mechanisms to realize solid-liquid transitions, shorten the switching time, and enhance the contrast of rheological properties during switching. Here, a light-induced crystal-liquid phase transition is observed, which is characterized by means of polarizing light microscopy (POM), photorheometry, photo-differential scanning calorimetry (photo-DSC), and X-ray diffraction (XRD). The light-induced crystal-liquid phase transition presents key features such as (1) fast switching of crystal-liquid phases for both forward and backward reactions and (2) a high contrast ratio of viscoelasticity. In the characterization, POM is advantageous in offering information on the spatial distribution of LC molecule orientations, determining the type of liquid crystalline phases appearing in the material, and studying the orientation of LCs. Photorheometry allows measurement of a material&#8217;s rheological properties under light stimuli and can reveal the photorheological switching properties of materials. Photo-DSC is a technique to investigate thermodynamic information of materials in darkness and under light irradiation. Lastly, XRD allows studying of microscopic structures of materials. The goal of this article is to clearly present how to prepare and measure the discussed properties of a photorheological material.

This protocol demonstrates the preparation of a photorheological material that exhibits a solid phase, various liquid crystalline phases, and an isotropic liquid phase by increasing temperature. Presented here are methods for measuring the structure-viscoelasticity relationship of the material.

Kontrastreich und schnelles photorheologisches Schalten eines Twist-Bend Nematic Flüssigkristalls

Smart viscoelastic materials that respond to specific stimuli are one of the most attractive classes of materials important to future technologies, such ...