우리는 도쿄 공대에서 IR 진동 분광학 측정 시간 해결 박사 S. 다나카 교수 M. 하 라 및 XRD 측정 나고야 대학에서 박사 K. 마쓰오 감사합니다. 우리는 또한 나고야 대학, Kiel 대학 교수 R. Herges와 구조에 대 한 최대 플랑크 연구소와 귀중 한 토론에 대 한 물질의 역학에서 교수 R. J. D. 밀러 교수 S. 야마구치 감사 합니다.
이 작품은 지원 일본 과학 기술 (JST)에 의해 프레스 토, "분자 기술 및 새로운 기능의 창조" 프로젝트 자금에 대 한 (JPMJPR13KD, JPMJPR12K5, 및 JPMJPR16P6의 번호 부여)와 "빛 에너지의 화학 변환". 이 작품은 또한 부분적으로 JSP 보조금 번호 JP15H02103, JP17K17893, JP15H05482, JP17H05258, JP26107004, 및 JP17H06375에 의해 지원 됩니다.

1.Time 해결 적외선 진동 분광학
<ol><li>
샘플 준비
	<ol>
<li>해결 방법: 적절 한 농도 (1 mmol/L)와 dichloromethane에 π 확장 cyclooctatetraene (π-침대) 분자를 분해.</li>
		<li>LC 단계: 100 ° c.의 온도에 핫 플레이트를 사용 하 여 칼슘 불 화물 (CaF2) 기판에 π-침대 분말을 녹여 차가운 실내 온도에 샘플. 참고: 우리는 중반-적외선 범위에서 투명 재료 (CaF2 또는 바 륨 불 소 (BaF2))을 선택 해야 합니다.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
장치 설정
	<ol>
<li>티타늄 사파이어 (Ti:sapphire) 레이저와 첩된 펄스 증폭기에 스위치. 열 몇 시간 동안 그들을 안정화 합니다.</li>
		<li>정렬 올바른지 확인 하십시오. 능력과 자외선 (UV) 펌프와 중반-적외선 조사의 안정성을 확인 하 고 필요한 경우 다시 광학 경로 정렬. 시간이 해결 적외선 분광학의 광 설치는 그림 5에서 제공 됩니다.</li>
		<li>HgCdTe 적외선 검출기 어레이 액체 질소를 사용 하 여 냉각 한다. 그래서 빛의 합리적인 금액의 범위에서 발견 되는 분석기 제대로 위치는 다는 것을 확인 하십시오. 폴리스 티 렌 또는 폴 리 에틸렌 테 레프 탈 산 등 잘 알려진 물질의 흡수 스펙트럼을 사용 하 여 분석기 보정.</li>
		<li>샘플 홀더에 큰 사진 유도 과도 응답 (Si 웨이퍼 (1 mm) 또는 Re(bpy)(CO)3Cl/CH3CN 솔루션)을 보여 주는 샘플을 탑재 합니다. 양수 값을 펌프-프로브 지연 찾아서 교 반 펌프-프로브 오버랩 되도록 펌프 빔에 의해 양의 과도 신호를 최적화 합니다.</li>
		<li>집에서 만든 프로그램 (그림 6)를 사용 하 여 펌프-프로브 지연에 장거리 스캔을 취 함으로써 시간 원점 설정을 찾아. 과도 신호 등장 하기 시작 하는 위치를 확인 합니다.</li>
		<li>Re(bpy)(CO)3Cl의 쌍 극 자 순간은 직교 스트레칭의 대칭 및 대칭 반대로 진동의 역학을 확인 하십시오. Note 마법의 각도 조건을 제대로 충족 되었을 때 모두 정확 하 게 동일한 역학을 표시 해야 합니다.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
측정 및 데이터 수집
	<ol>
<li>해결 방법: 집에서 만든 흐름 셀을 탑재 합니다. 필요한 경우 불활성 가스 (질소 (N2) 또는 아르곤 (Ar)) 버블링 장치를 설치. LC 단계: 레이저 유도 피해를 최소화 하기 위해 샘플에 레이저 명소를 지속적으로 이동 하는 전동된 스테이지에 기판으로 스핀 코팅 π-침대 샘플을 탑재.</li>
		<li>샘플 시간 제로 위치 재확인입니다.</li>
		<li>펌프-프로브 지연의 스캔 범위를 제대로 설정 (시작, 끝, 및 단계).</li>
		<li>데이터를 저장할 디렉터리를 선택 하십시오.</li>
		<li>집에서 만든 프로그램으로 데이터 수집을 시작 합니다. 참고: 데이터 디렉터리에 자동으로 기록 됩니다.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. 시간 해결 전자 회절
<ol><li>
샘플 기판의 제조
	<ol>
<li>구매는 양쪽 모두는 미리 30 nm 두께 실리콘 풍부한 실리콘 나이트 라 이드 (Si3N4또는 단순히 죄)로 덮여 실리콘 (001) 웨이퍼 (200 µ m 두께), 영화 (그림 11A). 광장 (15 × 15 m m2)에 죄/시/죄 웨이퍼를 잘라.</li>
		<li>2.5 × 1016 이온/cm2 죄/시/죄 웨이퍼의 측면 중 하나에 fluence에 아칸소 클러스터 이온 빔41 와 비록 비추는 30 nm 두께 죄 영화 (그림 11를 제거 하는 충분 한 금속 마스크 (그림 12), B, C). 참고: 신 필름을 제거 하는 대체 방법 플라즈마 에칭 또는 이온 빔 에칭.</li>
		<li>28%의 농도에 수산화 칼륨 (KOH) 용액을 준비 한다.</li>
		<li>웨이퍼에 넣어 1-2 일 (그림 11D), 60-70 ° C의 온도에서 코 솔루션 등방성 화학 에칭42를 통해 Si 웨이퍼의 추가 에칭을 수행 하는. 참고: 코 솔루션 Si에 대 한 에칭 속도 훨씬 빠릅니다 죄 보다 죄 박막 자체 막 (그림 11E)으로 남아 있다.</li>
		<li>이온을 제거 된 물에 죄 멤브레인과 웨이퍼를 청소 하 고 질소 가스로 건조.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
샘플 준비
	<ol>
<li>10 mg/mL의 농도에서 클로 프롬에 π-침대 분자를 분해.</li>
		<li>Spin coater 프로그램: 5에서 2000 rpm 가속 s, 계속 30 s, 및 중지 회전 회전. 스핀-코트 그림 11F와 같이 죄 막 기판에 π-침대 솔루션. 참고: 스핀 코팅에 대 한 적절 한 웨이퍼 크기 10 × 10 m m 이상 이어야 합니다.2, 때문에 표면 장력 때로는 방해 스핀-코팅 더 작은 웨이퍼에 자료의 예를 들어, 전송 전자 현미경 검사 법에 대 한 죄 막 표.</li>
		<li>100 ° C의 온도에서 열판에 죄 막 기판에 코팅 샘플, 그것을 녹여 넣고 실내 온도 (그림 11G)에 그것을 점차적으로 냉각.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
측정
	<ol>
<li>나사와 샘플 홀더에 샘플을 탑재 하 고 진공 챔버 (샘플 챔버)에 샘플 홀더를 넣어.</li>
		<li>밀봉 한 뚜껑을 가진 진공 챔버와 챔버 진공 레벨 미만 1000까지 대피 회전 펌프에 전환 실바 그런 다음 터보 분자 펌프에 전환할 전자 총 챔버 ~ 10-6 Pa (일반적으로 대 한 이상 12 h)의 진공 수준 이다.</li>
		<li>Ti:sapphire 레이저와 처 프 펄스 증폭기에 스위치와 열 1 시간 이상에 대 한 그들을 안정. 시간이 해결 전자 회절의 실험적인 체제는 그림 9에서 제공 됩니다. 500 Hz로 반복 속도 설정.</li>
		<li>전 하 결합 소자 (CCD) 카메라의 스릴러에 스위치와 10 ° c에 냉각</li>
		<li>전기 전원 공급 장치에 전환 하 고 75 전압 kV. 참고: 전원 공급의 누설 전류는 0.1 µ A 범위 변동 하지 해야.</li>
		<li>특별 한 중복입니다. 실험실 코딩 자동 프로그램 (그림 10A) 열고 노출 시간 (50 밀리초)를 설정 합니다. Z_overlap z 축 및 Y_overlap 및 시작 버튼을 누르면의 중복에 대 한 시작 유형 을 설정 하 여 프로그램을 사용 하 여 샘플 홀더에서 장착 홀과 전자 빔 위치를 찾아.</li>
		<li>핀 홀 위치에서 전자 빔 설정와 pinhole에 의해 빛이 반사 된 펌프와 펌프 레이저를 맞춥니다.</li>
		<li>시간이 해결 시작 유형을 설정 하 고 눌러 실험실 코딩 자동 프로그램 (그림 10의B)을 사용 하 여 샘플 홀더에 무기 소재 (Bi2테3) 시간 제로 위치를 측정 버튼을 시작 합니다. 이 프로세스에 대 한 2 mJ/cm2펌프 fluence를 조정 합니다.</li>
		<li>전자 빔의 패스를 패러데이 컵을 삽입 하 고 실험실 내장 picoammeter와 전자 빔 fluence 측정 프로브 선에 가변 ND 필터를 회전 하 여 조정. 펌프 선 파장판을 회전 하 여 펌프 펄스의 thefluence를 조정 합니다.</li>
		<li>샘플 위치 이동한 CCD 카메라의 노출 시간을 설정 합니다. 단일 시작 종류를 설정 하 고 시작 버튼을 누르면 실험실 코딩 자동 프로그램 (그림 10B)를 사용 하 여 전자 회절 이미지를 가져옵니다.</li>
		<li>CCD 카메라의 Peltier 요소에 스위치와-20 ° C의 온도까지 냉각</li>
		<li>시간 단계 설정 및 시간 해결 측정 단계 수. 시간이 해결 시작 유형을 설정 하 고 시작 버튼을 누르면 실험실 코딩 자동 프로그램 (그림 10B)를 사용 하 여 시간 해결 전자 회절 이미지를 가져옵니다.</li>
		<li>시간이 해결 시작 유형을 설정 하 여 전자 가속 전원 공급 장치 실험실 코딩 자동 프로그램 (그림 10의B)을 사용 하 여 스위칭 시간 해결 배경 이미지를 얻기 및 시작 버튼을 누르면.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

저자는 공개 없다.

시간이 해결 전자 회절 측정 시 프로세스의 중요 한 단계는 높은 전압을 유지 하 고 있다 (75 keV) 광 음극과 양극 사이의 거리 이후 현재 변동 없이 격판덮개만 ~ 10 m m 이다. 전이나 실험 중 현재 0.1 µ A의 범위 이상 변동 하는 경우 증가 90 최대 가속 전압 방전 하 고 75로 다시 설정 하는 케빈 케빈. 이 컨디셔닝 과정까지 전류를 0.1 µ A 범위에서 변동 할 수 있다. 충분 한 절연 강도를 전자 소스 적절 한...

액정 (LCs) 다양 한 기능 있고, 과학 및 기술 응용 프로그램1,2,,34,,56에서 널리 이용 된다. LCs의 행동은 그들의 근처 주문에 그들의 분자의 높은 기동성으로 지정할 수 있습니다. 액정 재료의 분자 구조는 일반적으로 특징 mesogen 코어 LC 분자의 높은 이동성을 보장 하는 유연한 긴 탄소 사슬. 외부 자극7,,89,10,11,12,13,14,15에서 , 빛, 전기 분야, 온도 변화, 또는 기계적 압력, 작은 내부 및 LC 분자 원인 과감 한 구조상 기능 동작으로 이어지는 시스템에서 순서 변경의 intermolecular 움직임 등. 액정 재료의 기능을 이해 하려면 그것은 LC 단계에서 분자 규모 구조를 결정 하 고 분자 conformations 및 포장 변형 키 동작을 식별 하는 것이 중요.
X 선 회절 (XRD)는 일반적으로 LC 자료16,,1718의 구조를 결정 하기 위한 강력한 도구로 사용 됩니다. 그러나, 기능 자극-반응 코어에서 발생 하는 회절 패턴 긴 탄소 사슬에서 광범위 한 헤일로 패턴에 의해 감춰 종종입니다. 이 문제에 효과적인 해결책 photoexcitation를 사용 하 여 분자 동역학의 직접 관측 가능 시간이 해결 회절 분석에 의해 제공 됩니다. 이 기술은 photoresponsive 아로마 moiety photoexcitation 전후 얻은 회절 패턴 사이의 차이 사용 하 여에 대 한 구조적 정보를 추출 합니다. 이러한 차이 배경 잡음을 제거 하 고 직접 관심의 구조 변화를 관찰 하는 의미를 제공 합니다. 차동 회절 패턴의 분석에서 혼자, 그로 인하여 비 photoresponsive 탄소 사슬에서 해로운 회절을 제외한 광 moiety 변조 신호를 공개. 차동 회절 분석의이 방법의 설명 Hada, M. 외19에 제공 됩니다.
시간 해결 회절 측정 자료20,,2122,23, 에 위상 전환 하는 동안 발생 하는 원자 재배열에 대 한 구조 정보를 제공할 수 있습니다. 24 , 25 , 26 , 27 , 28 , 분자30,,3132,,3334중 29 및 화학 반응. 마음에 이러한 응용 프로그램, 놀라운 진행이 했다 ultrabright 그리고 ultrashort 펄스 x-35,36 및 전자37,38,39 의 개발에 , 40 소스입니다. 그러나, 시간 해결 회절만 적용 된 간단 하 고, 고립 된 분자 또는를 단일 또는 폴 리-결정에 높은 무기 격자를 지시 또는 유기 분자 구조를 제공 하는 잘 해결된 회절 패턴 정보입니다. 대조적으로, 더 복잡 한 소프트 재료의 초고속 구조 분석 그들의 보다 적게 주문한 단계 때문에 방해 되어 있다. 이 연구에서 우리 시간 해결 전자 회절 과도 흡수 분광학 및이 사용 하 여 광 액정 재료의 구조 역학 특성 시간 해결 적외선 (IR) 진동 분광학의 사용을 보여 줍니다. 회절 추출 방법론19.

<table><tbody><tr><td>Chirped pulse amplifier</td><td>Spectra Physics Inc.</td><td>Spitfire ACE</td><td>For time-resolved IR vibration spectroscopy</td></tr><tr><td>Chirped pulse amplifier&amp;nbsp;</td><td>Spectra Physics Inc.</td><td>Spitfire XP</td><td>For time-resolved electron diffractometry</td></tr><tr><td>Femtosecond laser</td><td>Spectra Physics Inc.</td><td>Tsunami</td><td>For time-resolved IR vibration spectroscopy</td></tr><tr><td>Femtosecond laser</td><td>Spectra Physics Inc.</td><td>Tsunami</td><td>For time-resolved electron diffractometry</td></tr><tr><td>Optical parametric amplifier</td><td>Light Conversion Ltd.</td><td>TOPAS prime</td><td></td></tr><tr><td>64-channel mercury cadmium tellurium IR detector array</td><td>Infrared Systems Development Corporation</td><td>FPAS-6416-D</td><td></td></tr><tr><td>FT-IR spectrometer</td><td>Shimadzu Corporation</td><td>IR Prestige-21</td><td></td></tr><tr><td>High voltage supply</td><td>Matsusada precision</td><td>HER-100N0.1</td><td></td></tr><tr><td>Rotary pump</td><td>Edwards</td><td>RV12</td><td></td></tr><tr><td>Molecular turbo pumps</td><td>Agilent Technologies Japan, Ltd.</td><td>Twis Torr 304FS</td><td></td></tr><tr><td>Vacuum gauges</td><td>Pfeiffer vacuum systems gmbh</td><td>PKR251</td><td>For ICF70 flange</td></tr><tr><td>Vacuum monitors</td><td>Pfeiffer vacuum systems gmbh</td><td>TPG261</td><td></td></tr><tr><td>Fiber coupled CCD camera</td><td>Andor Technology Ltd.</td><td>iKon-L HF</td><td></td></tr><tr><td>BaF2 and CaF2 substrates</td><td>Pier optics</td><td></td><td>Thickness 3 mm</td></tr><tr><td>AgGaS2 crystal</td><td>Phototechnica Corporation</td><td></td><td>Custom-order</td></tr><tr><td>BBO crystals</td><td>Tokyo Instruments, Inc.</td><td></td><td>SHG &amp;theta;=29.2 deg&lt;br/&gt; THG &amp;theta;=44.3 deg</td></tr><tr><td>calcite crystals</td><td>Tokyo Instruments, Inc.</td><td></td><td>Thickness 1mm</td></tr><tr><td>Optical mirrors</td><td>Thorlabs</td><td>PF10-03-F01&lt;br/&gt; PF10-03-M01&lt;br/&gt; UM10-45A</td><td>Al coat mirrors&lt;br/&gt; Au coat mirrors&lt;br/&gt; Ultrafast mirrors</td></tr><tr><td>Optical mirrors</td><td>HIKARI,Inc.</td><td></td><td>Broadband mirrors</td></tr><tr><td>Dichroic mirrors</td><td>HIKARI,Inc.</td><td></td><td>Custom-order&lt;br/&gt; Reflection: 266 nm&lt;br/&gt; Transmission: 400, 800 nm</td></tr><tr><td>Optical chopper</td><td>Newport Corporation</td><td>3501 optical chopper</td><td></td></tr><tr><td>Optical shutters</td><td>Thorlabs Inc.</td><td>SH05/M&lt;br/&gt; SC10</td><td></td></tr><tr><td>Optical shutters</td><td>SURUGA SEIKI CO.,LTD.</td><td>F116-1</td><td></td></tr><tr><td>Beam splitters</td><td>Thorlabs Inc.</td><td>BSS11R</td><td></td></tr><tr><td>Fused-silica lenses</td><td>Thorlabs Inc.</td><td>LA4663&lt;br/&gt; LA4184</td><td></td></tr><tr><td>BaF2 lens</td><td>Thorlabs Inc.</td><td>LA0606-E</td><td></td></tr><tr><td>Polarized mirrors</td><td>Sigmakoki Co.,Ltd</td><td></td><td>Custom-order&lt;br/&gt; Designed for 800 nm&lt;br/&gt; Reflection: s-polarized light&lt;br/&gt; Transmission : p-polarized light</td></tr><tr><td>Half waveplate</td><td>Thorlabs Inc.</td><td>WPH05M-808</td><td></td></tr><tr><td>Mirror mounts</td><td>Thorlabs Inc.</td><td>POLARIS-K1&lt;br/&gt; KM100</td><td>Kinematic mirror mounts</td></tr><tr><td>Mirror mounts</td><td>Sigmakoki Co.,Ltd</td><td>MHAN-30M&lt;br/&gt; MHAN-30S</td><td>Gimbal mirror mounts</td></tr><tr><td>Mirror mounts</td><td>Newport Corporation</td><td>ACG-3K-NL</td><td>Gimbal mirror mounts</td></tr><tr><td>Variable ND filters</td><td>Thorlabs Inc.</td><td>NDC-25C-2M</td><td></td></tr><tr><td>Beam splitter mounts</td><td>Thorlabs Inc.</td><td>KM100S</td><td></td></tr><tr><td>Lens mounts</td><td>Thorlabs Inc.</td><td>LMR1/M</td><td></td></tr><tr><td>Rotational mounts</td><td>Thorlabs Inc.</td><td>RSP1/M</td><td></td></tr><tr><td>Retroreflector</td><td>Edmund Optics</td><td>63.5MM X 30&quot; EN-AL&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>spectrometers</td><td>ocean photonics</td><td>USB-4000</td><td></td></tr><tr><td>Power meter</td><td>Ophir</td><td>30A-SH</td><td>Used for intensity monitor of CPA</td></tr><tr><td>Power meter</td><td>Thorlabs Inc.</td><td>S120VC&lt;br/&gt; PM100USB</td><td>Used for intensity measurements of pump pulse</td></tr><tr><td>Photodiodes</td><td>Thorlabs Inc.</td><td>DET36A/M&lt;br/&gt; DET25K/M</td><td></td></tr><tr><td>DC power supply</td><td>TEXIO</td><td>PW18-1.8AQ</td><td>Used for magnetic lens</td></tr><tr><td>Magnetic lens</td><td>Nissei ETC Co.,Ltd</td><td></td><td>Custom-order</td></tr><tr><td>Stages</td><td>Newport Corporation</td><td>M-MVN80V6&lt;br/&gt; LTAHLPPV6</td><td>Used for magnetic lens</td></tr><tr><td>Stage controller</td><td>Newport Corporation</td><td>SMC100</td><td></td></tr><tr><td>Stages&amp;nbsp;</td><td>Sigmakoki Co.,Ltd</td><td>SGSP20-35(X)&lt;br/&gt; SGSP20-85(X)</td><td>Used for sample position</td></tr><tr><td>Stages&amp;nbsp;</td><td>Sigmakoki Co.,Ltd</td><td>SGSP26-200(X)&lt;br/&gt; OSMS26-300(X)</td><td>Used for delay time generator</td></tr><tr><td>Stage controller</td><td>Sigmakoki Co.,Ltd</td><td>SHOT-304GS</td><td></td></tr><tr><td>Picoammeter</td><td></td><td></td><td>Laboratory built</td></tr><tr><td>spin coater</td><td>MIKASA Co.,Ltd</td><td>1H-D7</td><td></td></tr><tr><td>hot plate</td><td>IKA&amp;reg;&amp;nbsp;</td><td>C-MAG HP7</td><td></td></tr><tr><td>SiN wafer</td><td>Silson Ltd</td><td></td><td>Custom-order</td></tr><tr><td>KOH aqueous solution (50%)</td><td>Hiroshima Wako Co.,Ltd.</td><td>168-20455</td><td></td></tr><tr><td>Chloroform</td><td>Hiroshima Wako Co.,Ltd.</td><td>038-18495</td><td></td></tr><tr><td>Dichloromethane</td><td>Hiroshima Wako Co.,Ltd.</td><td>132-02456</td><td></td></tr><tr><td>Personal computers for the controlling programs</td><td>Epson Corporate</td><td>Endeavor MR7300E-L</td><td>32-bit operation system</td></tr><tr><td>Program for the control the equipment</td><td>National Instruments Corporation</td><td>Labview2016</td><td></td></tr><tr><td>Program for the data analysis</td><td>The MathWorks, Inc.</td><td>Matlab2015b</td><td></td></tr></tbody></table>

novel techniques for observing structural dynamics of photoresponsive liquid crystals

우리 토론이 문서에는 분자의 실험 측정 시간 해결 적외선 (IR) 진동 분광학 및 시간 해결 전자 회절을 사용 하 여 액정 (LC) 단계에서. 액정 단계는 고체와 액체 단계 사이 존재 하는 물질의 중요 한 상태 고 유기 전자에서 뿐만 아니라 자연 시스템에 일반적입니다. 액정 orientationally 주문 하지만 느슨하게 포장 하는, 그리고 그러므로, 내부 conformations 및 LCs의 분자 구성 요소 정렬 외부 자극에 의해 수정할 수 있습니다. 비록 시간 해결 고급 회절 기법은 피코 초 규모 단일 결정의 분자 역학 그리고 polycrystals, 패킹 구조의 직접 관찰과 부드러운 소재의 초고속 역학 모호한에 의해 방해 되어 회절 패턴입니다. 여기, 우리 보고 시간 해결 IR 진동 분광학 및 광 코어 moiety 베어링 컬럼 LC 자료의 초고속 스냅을 얻으려고 전자 diffractometry. 차동 감지 분석의 조합의 시간 해결 IR 진동 분광학 및 전자 회절 구조와 부드러운 소재의 photoinduced 역학 특성화를 위한 강력한 도구입니다.

때문에 잘 정의 된 컬럼 스택 구조 형성 및 중앙 8 조화로 침대 링 보여줄 것으로 예상 하기 때문에 액정 분자의 광 코어 단위로 π-유아용 안장 모양의 뼈대43,44 를 선택 우리는 photoinduced 구조적 때문에 흥분 상태 방향성19,45평면 형식으로 변경 합니다. 이 물질의 합성 과정은 이전 게시...

Watch this Scientific Journal Video about Novel Techniques for Observing Structural Dynamics of Photoresponsive Liquid Crystals at JoVE.com

Novel Techniques for Observing Structural Dynamics of Photoresponsive Liquid Crystals

여기, 우리는 photoexcited 분자는 열에서 주위 지역 구조의 변형의 관측 시간 해결 적외선 진동 분광학 및 전자 회절의 차동 감지 분석 프로토콜 제시 액체 크리스탈, 구조와이 광 물질의 역학 관계에 원자 관점 주는.

Photoresponsive 액정의 구조 역학을 관찰을 위한 새로운 기술

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

novel-techniques-for-observing-structural-dynamics-photoresponsive

Research

JoVE Journal

Chemistry

8.7K 조회수.  Okayama University. 여기, 우리는 photoexcited 분자는 열에서 주위 지역 구조의 변형의 관측 시간 해결 적외선 진동 분광학 및 전자 회절의 차동 감지 분석 프로토콜 제시 액체 크리스탈, 구조와이 광 물질의 역학 관계에 원자 관점 주는.

비디오: Novel Techniques for Observing Structural Dynamics of Photoresponsive Liquid Crystals

Patterning via Optical Saturable Transitions - Fabrication and Characterization

This protocol describes the fabrication and characterization of nanostructures using a novel nanolithographic technique called Patterning via Optical Saturable Transitions (POST). In this technique the chemical properties of organic photochromic molecules that undergo single-photon reactions are exploited, enabling rapid top-down nanopatterning over large areas at low light intensities, thereby, allowing for the circumvention of the far-field diffraction barrier.4 Simple, cost-effective, high throughput and resolution alternatives to nanopatterning are being explored, such as, two-photon polymerization5,6, beam pen lithography (BPL)7, scanning electron beam lithography (SEBL), and focused ion beam (FIB) patterning. However, multi-photon approaches require high light intensities, which limit their potential for high throughput and offer low image contrast. Although, electron and ion beam lithographic processes offer increased resolution, the serial nature of the process is limited to slow writing speeds, which also prevents patterning of features over large areas. Beam-pen lithography is an approach towards parallel near-field optical lithography. However, the gap between the source of the beam and the surface of the photoresist needs to be controlled extremely precisely for good pattern uniformity and this is very challenging to accomplish for large arrays of beams. Patterning via Optical Saturable Transitions (POST) is an alternative optical nanopatterning technique for patterning sub-wavelength features1-3. Since this technique uses single photons instead of electrons, it is extremely fast and does not require high light intensities1-3, opening the door to massive parallelization.

We report that the diffraction limit of conventional optical lithography can be overcome by exploiting the transitions of organic photochromic derivatives induced by their photoisomerization at low light intensities.1-3 This paper outlines our fabrication technique and two locking mechanisms, namely: dissolution of one photoisomer and electrochemical oxidation.

광학 가포 전환을 통해 패터닝 - 제조 및 특성

This protocol describes the fabrication and characterization of nanostructures using a novel nanolithographic technique called Patterning via Optical ...

연구

공학

Free-form Light Actuators &#8212; Fabrication and Control of Actuation in Microscopic Scale

Liquid crystalline elastomers (LCEs) are smart materials capable of reversible shape-change in response to external stimuli, and have attracted researchers&#39; attention in many fields. Most of the studies focused on macroscopic LCE structures (films, fibers) and their miniaturization is still in its infancy. Recently developed lithography techniques, e.g., mask exposure and replica molding, only allow for creating 2D structures on LCE thin films. Direct laser writing (DLW) opens access to truly 3D fabrication in the microscopic scale. However, controlling the actuation topology and dynamics at the same length scale remains a challenge.
In this paper we report on a method to control the liquid crystal (LC) molecular alignment in the LCE microstructures of arbitrary three-dimensional shape. This was made possible by a combination of direct laser writing for both the LCE structures as well as for micrograting patterns inducing local LC alignment. Several types of grating patterns were used to introduce different LC alignments, which can be subsequently patterned into the LCE structures. This protocol allows one to obtain LCE microstructures with engineered alignments able to perform multiple opto-mechanical actuation, thus being capable of multiple functionalities. Applications can be foreseen in the fields of tunable photonics, micro-robotics, lab-on-chip technology and others.

Here, we fabricate 3D polymeric micro/nano structures in which both the shape and the molecular alignment can be engineered with nanometer scale accuracy by the use of direct laser writing. Light induced deformation of several types of liquid crystalline elastomer microstructures can be controlled in the microscopic scale.

자유 형식 등 엑츄에이터 - 현미경 규모의 제조 및 개폐 제어

Liquid crystalline elastomers (LCEs) are smart materials capable of reversible shape-change in response to external stimuli, and have attracted ...

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

In liquid crystal (LC) physical chemistry, molecules near the surface play a great role in controlling bulk orientation. Thus far, mainly to achieve desired molecular orientation states in LC displays, the "static" surface property of LCs, so-called surface anchoring, has been intensively studied. As a rule of thumb, once the initial orientation of LCs is "locked" by specific surface treatments, such as rubbing or treatment with a specific alignment layer, it hardly changes with temperature. Here, we present a system exhibiting an orientational transition upon temperature variation, which conflicts with the consensus. Right on the transition, the bulk LC molecules experience the orientational rotation, with 90&#176; between the planar (P) orientation at high temperatures and the vertical (V) orientation at low temperatures in the first-order transitional manner. We have tracked thermodynamic surface anchoring behavior by means of polarizing optical microscopy (POM), dielectric spectroscopy (DS), high-resolution differential scanning calorimetry (HR-DSC), and grazing incidence X-ray diffraction (GI-XRD) and reached a plausible physical explanation: that the transition is triggered by a growth of surface wetting sheets, which impose the V orientation locally against the P orientation in the bulk. This landscape would provide a general link explaining how the equilibrium bulk orientation is affected by surface-localized orientation in many LC systems. In our characterization, POM and DS are advantageous by offering information on the spatial distribution of the orientation of LC molecules. HR-DSC gives information about the precise thermodynamic information on transitions, which cannot be addressed by conventional DSC instruments due to limited resolution. GI-XRD provides information on surface-specific molecular orientation and short-range orderings. The goal of this paper is to present a protocol for preparing a sample that exhibits the transition and to demonstrate how the thermodynamic structural variation, both in the bulk and on surfaces, can be analyzed through the abovementioned methods.

Here, we present a protocol to trigger an orientational transition of a liquid crystal in response to temperature. Methodologies are described for preparing a sample in order to observe the transition and the detailed transitional evolution.

계면 습윤지의 열역학적 성장에 의해 촉발 된 액정의 방향 전환

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

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.

빛에 의해 유도 된 거시적인 진동 모션 액정 네트워크의 준비

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

Microfluidic Chips for In Situ Crystal X-ray Diffraction and In Situ Dynamic Light Scattering for Serial Crystallography

This protocol describes fabricating microfluidic devices with low X-ray background optimized for goniometer based fixed target serial crystallography. The devices are patterned from epoxy glue using soft lithography and are suitable for in situ X-ray diffraction experiments at room temperature. The sample wells are lidded on both sides with polymeric polyimide foil windows that allow diffraction data collection with low X-ray background. This fabrication method is undemanding and inexpensive. After the sourcing of a SU-8 master wafer, all fabrication can be completed outside of a cleanroom in a typical research lab environment. The chip design and fabrication protocol utilize capillary valving to microfluidically split an aqueous reaction into defined nanoliter sized droplets. This loading mechanism avoids the sample loss from channel dead-volume and can easily be performed manually without using pumps or other equipment for fluid actuation. We describe how isolated nanoliter sized drops of protein solution can be monitored in situ by dynamic light scattering to control protein crystal nucleation and growth. After suitable crystals are grown, complete X-ray diffraction datasets can be collected using goniometer based in situ fixed target serial X-ray crystallography at room temperature. The protocol provides custom scripts to process diffraction datasets using a suite of software tools to solve and refine the protein crystal structure. This approach avoids the artefacts possibly induced during cryo-preservation or manual crystal handling in conventional crystallography experiments. We present and compare three protein structures that were solved using small crystals with dimensions of approximately 10-20 &#181;m grown in chip. By crystallizing and diffracting in situ, handling and hence mechanical disturbances of fragile crystals is minimized. The protocol details how to fabricate a custom X-ray transparent microfluidic chip suitable for in situ serial crystallography. As almost every crystal can be used for diffraction data collection, these microfluidic chips are a very efficient crystal delivery method.

Microfluidic Chips for In Situ Crystal X-ray Diffraction and In Situ Dynamic Light Scattering for Serial Crystallography

This protocol describes in detail how to fabricate and operate microfluidic devices for X-ray diffraction data collection at room temperature. Additionally, it describes how to monitor protein crystallization by dynamic light scattering and how to process and analyze obtained diffraction data.

현장에서 크리스탈 x-선 회절 및 현장에서 직렬 결정학에 대 한 동적 빛 산란에 대 한 미세 칩

This protocol describes fabricating microfluidic devices with low X-ray background optimized for goniometer based fixed target serial crystallography. The ...

화학

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.

액체 결정 탄성 액츄에이터의 미세 준비

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.

액정에 자석으로 조정 Ferroelectric 편광 측정

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

An Electrochemical Cholesteric Liquid Crystalline Device for Quick and Low-Voltage Color Modulation

We demonstrate a method for fabricating a prototype reflective display device that contains cholesteric liquid crystal (LC) as an active component. The cholesteric LC is composed of a nematic LC 4&#39;-pentyloxy-4-cyanobiphenyl (5OCB), redox-responsive chiral dopant (FcD), and a supporting electrolyte 1-ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonate (EMIm-OTf). The most important component is FcD. This molecule changes its helical twisting power (HTP) value in response to redox reactions. Therefore, in situ electrochemical redox reactions in the LC mixture allow for the device to change its reflection color in response to electrical stimuli. The LC mixture was introduced, by a capillary action, into a sandwich-type ITO glass cell comprising two glass slides with patterned indium tin oxide (ITO) electrodes, one of which was coated with poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-co-poly(ethylene glycol) doped with perchlorate (PEDOT+). Upon application of +1.5 V, the reflection color of the device changed from blue (467 nm) to green (485 nm) in 0.4 s. Subsequent application of 0 V made the device recover the original blue color in 2.7 s. This device is characterized by its fastest electrical response and lowest operating voltage among any previously reported cholesteric LC device. This device could pave the way for the development of next generation reflective displays with low energy consumption rates.

A protocol for the fabrication of a reflective cholesteric liquid crystalline display device containing a redox-responsive chiral dopant allowing quick and low-voltage operation is presented.

전기 화학 Cholesteric 액체 결정 장치를 신속 하 고 낮은 전압 색깔 변조에 대 한

We demonstrate a method for fabricating a prototype reflective display device that contains cholesteric liquid crystal (LC) as an active component. The ...

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.

모노 도메인 액정 탄성체 및 액정 엘라스토머 나노 복합 재료의 제조

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

생체공학

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.

트위스트 벤드 네매틱 액정의 고대비 및 빠른 광역학 스위칭

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