트위스트 벤드 네매틱 액정의 고대비 및 빠른 광역학 스위칭

요약

이 프로토콜은 온도를 증가시킴으로써 고체 상, 다양한 액결정 상 및 등방성 액체 상을 나타내는 광변학 물질의 제조를 보여줍니다. 여기서 제시된 재료의 구조-점탄성 관계를 측정하는 방법이 제시된다.

초록

특정 자극에 반응하는 스마트 점탄성 재료는 온디맨드 전환 접착 기술, 액추에이터, 분자 클러치 및 나노/현미경 질량과 같은 미래 기술에 중요한 가장 매력적인 재료 군 중 하나입니다. 전송기. 최근에는 특수 고체-액체 전이를 통해 유변학적 특성이 상당한 변화를 나타낼 수 있어 적합한 스마트 점탄성 물질을 제공하는 것으로 나타났습니다. 그러나 이러한 특성을 가진 재질을 설계하는 것은 복잡하며, 전진 및 후진 스위칭 시간은 일반적으로 길다. 따라서 고체-액체 전환을 실현하고, 스위칭 시간을 단축하며, 스위칭 시 유변학적 특성의 대비를 향상시키기 위해 새로운 작업 메커니즘을 탐색하는 것이 중요합니다. 여기서, 광-액체 상 전이가 관찰되며, 이는 편광 광 현미경 검사법(POM), 광류학, 광차 감산 열량계(광-DSC) 및 X선 회절(XRD)을 편광시키는 것을 특징으로 한다. 빛으로 유도된 결정-액체 상 전이는 (1) 전진 및 후면 반응모두에 대한 결정-액체 상의 빠른 스위칭 및 (2) 높은 점탄성 비와 같은 주요 특징을 제시합니다. 특성화에서 POM은 LC 분자 배향의 공간 분포에 대한 정보를 제공하고, 재료에 나타나는 액정 상 유형을 결정하고, LC의 방향을 연구하는 데 유리합니다. 광 자극 하에서 재료의 유변학적 특성을 측정할 수 있으며 재료의 광회학적 스위칭 특성을 나타낼 수 있습니다. Photo-DSC는 어둠과 광 조사 하에서 물질의 열역학 적 정보를 조사하는 기술입니다. 마지막으로 XRD는 물질의 미세한 구조를 연구할 수 있습니다. 이 문서의 목적은 광유문 물질의 논의 된 특성을 준비하고 측정하는 방법을 명확하게 제시하는 것입니다.

서문

환경 변화에 대응하여 점탄성 특성을 변경할 수 있는 스마트 기계 재료는 연구자들 사이에서 엄청난 관심을 불러일으켰습니다. 전환성은 살아있는 유기체에서 반복적인 기계적 반응의 견고성을 제공하는 가장 중요한 재료 요인으로 간주됩니다. 현재까지 다재다능한 기능을 갖춘 인공 전환 가능한 재료는 연질 물질 (즉, 광 반응 하이드로겔^1,2,3,폴리머^4,5) 등을 활용하여 설계되었습니다. ^{6,7,8,9,10,11}, 액정 [LC]^{9,10,11, 12,13,14,15,}16 ,^17,pH 반응 미셀^{18,19,20 ,21,22}, 및 계면 활성제^23). 그러나 이러한 재료는 가역성 부족, 점탄성의 낮은 스위칭 명암비, 낮은 적응도 및 느린 스위칭 속도 등 하나 이상의 문제를 겪습니다. 종래의 재료에서 점탄성의 스위칭 명암비와 스위칭 속도 사이에 는 절충이 존재합니다. 따라서 이러한 모든 기준을 고성능으로 다루는 재료를 설계하는 것은 어려운 일입니다. 앞서 언급한 전능성을 가진 물질을 실현하기 위해서는 높은 유동성(점성 특성)과 강성(탄성 특성)의 응급 특성을 전달하는 분자를 선택하거나 설계하는 것이 필수적입니다.

액정은 분자 설계에 의해 조정될 수 있는 잠재적으로 많은 수의 액정 및 고체 상을 가진 이상적인 시스템입니다. 이를 통해 특정 LC 위상에서 서로 다른 길이 스케일에서 자체 조립된 구조물을 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 대칭성이 높은 Nematic LCs(NFC)는 단거리 공간 순서로 인해 점도와 탄성이 낮지만, 낮은 대칭 열또는 소성 LC는 1차원 및 2차원 장거리로 인해 높은 점도와 탄성을 나타낸다. 주기성. LC 재료가 점탄성 특성에 큰 차이가있는 두 단계 사이를 전환 할 수 있다면 고성능의 점탄성 스마트 소재를 얻을 수 있습니다. 몇 가지 예는^{9,10, 11},^{12,13,14,15로}보고되었습니다.

이 문서는 빠르고 가역적 인 전시 등방성 (I)-nematic (N)-트위스트 벤드 네매틱 (TB)²⁴-크리스탈 (울음 소리)의 위상 시퀀스와 광기변 LC 물질의 준비를 보여줍니다 (가열 시 그 반대의 경우도 마찬가지), 이는 빛에 반응하여 점탄성 스위칭. 여기서 제시된 점탄성 및 현미경 구조-점탄성 관계의 그림들을 측정하는 방법이 제시된다. 자세한 내용은 대표 결과 및 토론 섹션에 설명되어 있습니다.

프로토콜

1. LC 분자를 평면으로 정렬하기위한 문질러표면의 준비

1. 깨끗한 유리 기판을 준비합니다.
   1. 다이아몬드 기반 유리 커터(재료표)를사용하여 유리 기판을 1cm x 1 cm의 평균 크기의 작은 정사각형 조각으로 잘라낸다. 세제 : 1 : 3의 물 부피 비율과 증류수로 반복적으로 헹구습니다 (일반적으로 각 헹구에 대해 초음파 처리 5 분으로 10 배 이상).
   2. 기판을 자외선 오존(UV-O3) 클리너(재료표)에 10분 이상 적용한다.
2. 깨끗한 유리 기판에 평면 정렬 층을 코팅합니다.
   1. 폴리이미드 평면 정렬 솔루션의 1 mL의 20 μL(재료 표,있는 것으로 사용 됨) 파이펫을 세척 유리 기판에. 3,000 rpm에서 스핀 코터(재료 표)를사용하고 70 s의 실온 (RT)을 사용하여 용액을 즉시 스핀 코팅하십시오.
      주: 정렬 레이어의 일반적인 두께는 약 20 nm입니다.
   2. 코팅된 유리 기판을 80°C에서 60분 동안 구워 용매를 제거하고 180°C에서 경화시 >60분 동안 굽습니다. 회전 속도 = 300rpm, 플레이트 속도 = 20mm/s, 인상 = 0.3 mm를 사용하여 레이온 클로스 마찰 기계(재료 표)를사용하여 기판을 문지르면 LC 재료의 축축한 정렬을 실현합니다.

2. LC 세포의 준비

1. 정렬 층으로 코팅된 유리 기판을 다른 기판 위에 놓고 정렬 레이어를 대면하여 80% 겹쳐서 셀을 형성하도록 합니다.
   참고: 20% 겹치지 않은 표면은 셀에 LC 물질을 도입하는 데 사용됩니다.
2. 광반응성접착제(재료 표)와0.1 mg의 마이크로미터 크기의 유리 입자(직경 = 5 μm)를 깨끗한 유리 기판에 놓고 종이 클립의 끝을 사용하여 수동으로 혼합합니다. 혼합 된 재료를 셀의 4 모서리로 이동하여 세포 간격을 조정하고 365 nm (1.1 W /^cm2)의파장을 가진 저압 수은 증기 짧은 아크 램프(재료 표)를사용하여 셀을 조명합니다. 셀을 LED 램프 아래에 1cm 의 거리에서 5 분 동안 놓습니다.
3. 조명 후, 셀을 뜨거운 스테이지에 놓고 단계의 목표 온도를 등방성 액체(I)-네매틱(N) 상 전이(전형적으로 160°C)의 온도로 가열한다. LC 물질을 전사(1-[4-부톡시아조벤젠-4'-yloxy]-6-[4-시안비페닐-4' 헥산; CB6OABOBu; 0.2−10.0 μL) 세포의 하나의 열린 표면에 및 LC 물질과 세포의 입구 사이의 접촉을 얻기 위해 마이크로 스패툴라를 사용하여 세포 입구쪽으로 물질을 밀어 넣습니다. LC 물질이 모세관력에 의해 세포에 채워질 때까지 기다립니다.
   참고 : CB6OABOBu는 위상 순서를 갖는다 : 냉동 100.3 ° C TB 105.2 ° C N 151.7 ° C 나는 가열에 나는 151.4 ° C N 104.5 ° C TB 83 ° C 냉방에 울고. 흐름 유도 정렬이 촉진되므로 CB6OABOBu를 N 상 또는 TB 상에 도입하지 마십시오.

3. 광학 현미경 을 편광하여 질감 특성화

1. 4x--100x 대물 렌즈를 사용하여 편광 광 현미경(POM, 재료 표)에서± 0.1 K 정확도로 샘플 온도(40−180°C)를 제어하기 위해 핫 스테이지에 놓인 LC 세포를 관찰합니다. 냉각 및 가열 중에 디지털 컬러 카메라를 사용하여 텍스처를 순차적으로 기록합니다.
2. 파장이 365 nm (50 mW /^cm2)인POM에 장착 된 UV 에피 일루미네이터(재료 표)를사용하십시오.

4. 광유병 측정

1. 유변학 측정준비.
   1. 레오미터(재료표)의단계에 샘플을 배치하기 전에, 유변학 연구의 정확성을 보장하기 위해 제조업체의 지침에 따라 소프트웨어에 의해 제어되는 형상 관성 교정 및 제로 갭 교정을 수행합니다. . CB6OABOBu 분말 샘플 의 250mg의 무게를 측정하고 레오미터의 기본 석영 플레이트에로드합니다.
      참고 : 본 연구에서는 직경 이 50mm의 접시가 사용됩니다.
   2. 시료 챔버의 온도를 I-N 상 전이 점(>160°C) 이상의 값으로 설정합니다. 측정 플레이트를 기본 석영 플레이트에 접근하여 샘플을 샌드위치로 설정합니다(사용되는 일반적인 갭 값 = 20 μm). 측정 판이 목표 간격보다 25 μm 높은 트리밍 위치에서 멈출 때 간격 외부에 있는 초과 샘플(예: 용지 와이프사용)을 다듬습니다.
      참고: 측정이 부정확하기 때문에 샘플 챔버에 CB6OABOBu의 초과 량이 유입되는 것을 허용하지 마십시오.
2. 유변학 측정을 수행합니다.
   1. 365 nm (1−100 mW / cm^2)에서UV 광을 조사하여 고압 수은 증기 짧은 아크 램프를 사용하여 CB6OABOBu의 광변조를 측정합니다.
      참고 : 빛은 기본 석영 플레이트를 통해 샘플 용기 아래에서 안내됩니다.
   2. 1) 재료의 동적 복원 정보를 추출하기 위한 진동 모드 및 효과적인 회전 점도를 얻기 위한 2) 꾸준한 회전 모드에서 측정을 수행합니다. 회전 모드에서 측정의 경우, 13Pa의 일정한 전단 응력사항을 시료에 적용하여 뉴턴 정권에서 측정이 이루어지도록 합니다.
      참고: 모드 선택은 제조업체의 지침에 따라 소프트웨어에 의해 수행됩니다.

5. 광차 분현 스캐닝 열량측정

1. CB6OABOBu 분말 샘플 10 mg의 무게를 측정하고 금 차동 스캐닝 열량계 (DSC) 팬에 로드하십시오. 등방성 상에서 샘플을 170°C로 가열하고 육안으로 관찰한 대로 DSC 팬에 불균일한 시료 분포가 없는지 확인합니다. DSC 팬을 석영 접시로 덮습니다.
2. 제조업체의지침(재료 표)에따라 사진 DSC 측정을 수행합니다. 10 °C /min의 스캔으로 DSC 데이터를 측정합니다.
   참고 : 사진 DSC 기계는 50mW / cm^2의UV 광 강도를 갖추고 있습니다.

6. 엑스레이 회절 특성화

1. 170 °C에서 뜨거운 단계를 사용하여 분말 CB6OABOBu 샘플을 가열하고 모세관 힘에 의해 XRD 모세관 (직경 = 0.5 mm)으로 샘플을 빨아.
2. 온도 컨트롤러가 장착된 샘플 홀더에 모세관을 부착합니다. 챔버 온도(60°C, 70°C, 80°C, 90°C, 100°C, 100°C, 120°C, 130°C, 140°C, 150°C, 160°C, 각 X선 회절 측정에 대해 170°C)를 설정합니다.
3. X선으로 시료를 조사하여 UV 조사 없이 10^mW/cm2의 UV 광 강도 하에서 1분 10분 동안 검출기에 의해 회절된 X선 빔을 검출합니다.
   참고: 현재 연구는 RIKEN 빔라인 BL45XU에서 수행되었다. 광원은 SPring-8 표준 진공 압정기였습니다. 액체 질소 냉각 Si 이중 결정 단색화기를 사용하여 빔을 단염색화하였다. 파장은 1 Å였다.

결과

POM 이미지, 광류도 측정 데이터, 사진-DSC 데이터 및 XRD 강도 프로파일은 온도 변화 동안 및 UV 빛을 비추는 동안 어둠 속에서 수집되었습니다. 그림 1a, b는 모델링 프로그램에서 MM2 포스필드에 의해 최적화된 위상 서열 및 가능한 적합성(예: ChemBio3D)과 함께 CB6OABOBu의 구조를 나타낸다.

CB6OABOBu가 트랜스 상태에 있을 때, 두 개의 에너지 그럴듯한...

토론

그림 1에서알 수 있듯이 CB6OABOBu는 냉각 시 I, N, TB 및 Cry 위상 시퀀스가 있는 포토 반응형 소재입니다. 이러한 단계의 국부적 주문은 크게 다르기 때문에 유변학적 특성의 사진 구동 스위칭은 양호한 점탄성 대비를 나타낼 것으로 예상됩니다. 이를 정량적으로 조사하기 위해 광 투과 측정을 수행했습니다.

먼저, 어둠 속에서 측정된 유변학 데이터를 고려?...

자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
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