Nuove tecniche per l'osservazione dinamica strutturale dei cristalli liquidi fotoresponsivi

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

doi:10.3791/57612

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In questo articolo

Riepilogo
Abstract
Introduzione
Protocollo
Risultati
Discussione
Divulgazioni
Riconoscimenti
Materiali
Riferimenti
Ristampe e Autorizzazioni

Riepilogo

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.

Introduzione

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.