تقنيات الرواية لمراقبة ديناميات الهيكلية من بلورات سائلة فوتوريسبونسيفي
Summary
وهنا، نقدم البروتوكولات التحليلات التفاضلية-الكشف لحل وقت الأشعة تحت الحمراء الذبذبات التحليل الطيفي والالكترون الحيود التي تمكن ملاحظات تشوهات الهياكل المحلية حول الجزيئات فوتوكسسيتيد في عمودي الكريستال السائل، إعطاء وجهة نظر الذري على العلاقة بين البنية وديناميات هذه المواد فوتواكتيفي.
Abstract
نحن نناقش في هذه المقالة القياسات التجريبية للجزيئات في المرحلة الكريستال السائل (LC) استخدام طيف الذبذبات حل وقت الأشعة تحت الحمراء (IR) وحيود الإلكترون حل الوقت. المرحلة الكريستالية السائلة هي دولة هامة لهذه المسألة التي توجد بين المراحل الصلبة والسائلة، ومن الشائع في النظم الطبيعية، وكذلك كما هو الحال في الإلكترونيات العضوية. أورينتاتيونالي أمرت البلورات السائلة ولكن وجبات فضفاضة، وذلك، يمكن تعديل والتشكلات الداخلية والتحالفات المكونات الجزيئية ل LCs بالمنبهات الخارجية. على الرغم من أن المتقدم حل الوقت كشفت تقنيات حيود picosecond-مقياس ديناميات الجزيئية لبلورات مفردة وبوليكريستالس، والملاحظات المباشرة لهياكل التعبئة وديناميات فائق السرعة من مواد لينة قد أعاقها ضبابية أنماط الحيود. هنا، نحن تقرير حل الوقت مطيافية الأشعة تحت الحمراء الذبذبات وديفراكتوميتري إلكترون للحصول على لقطات فائق السرعة لمادة LC عمودية تحمل مجموعة كور فوتواكتيفي. تحاليل الكشف عن الفرق من المزيج من الوقت–حل مطيافية الأشعة تحت الحمراء الذبذبات وحيود الإلكترونات أدوات قوية لوصف هياكل وديناميات فوتويندوسيد من مواد لينة.
Introduction
البلورات السائلة (LCs) مجموعة متنوعة من الوظائف، وتستخدم على نطاق واسع في التطبيقات العلمية والتكنولوجية1،2،،من34،،من56. يمكن أن يعزى سلوك LCs إلى على أورينتاشونال الأمر كذلك فيما يتعلق بتنقل تلك الجزيئات عالية. تركيب جزيئي المواد LC عادة تتميز بنواة ميسوجين وسلاسل الكربون طويلة مرنة تضمن قدرة عالية على الحركة من جزيئات LC. تحت المؤثرات الخارجية7،،من89،10،11،،من1213،14،15 ، مثل الضوء أو المجالات الكهربائية، والتغيرات في درجة الحرارة أو الضغط الميكانيكي، صغيرة داخل والالتماسات الجزيئات LC جزيئات قضية جذرية الهيكلي إعادة ترتيب في النظام، مما يؤدي إلى السلوك الوظيفي الخاص به. فهم المهام لمواد قانون العمل، من المهم تحديد هيكل الجدول الجزيئية في مرحلة LC وتحديد الاقتراحات الرئيسية والتشكلات الجزيئية والتشوهات التعبئة.
ويستخدم حيود الأشعة السينية (XRD) عادة كأداة قوية لتحديد هياكل LC المواد16،،من1718. ومع ذلك، غالباً ما أخفى نمط الحيود الناشئة من مجموعة أساسية تستجيب لمحفزات وظيفية بنمط هالة واسعة من سلاسل طويلة من الكربون. حل فعال لهذه المشكلة يتم توفيرها من قبل تحليل حيود حل الوقت الذي تمكن الملاحظات المباشرة لديناميات الجزيئية باستخدام فوتوكسسيتيشن. هذا الأسلوب تستخرج المعلومات الهيكلية حول moiety العطرية فوتوريسبونسيفي استخدام الاختلافات بين أنماط الحيود الحصول عليها قبل وبعد فوتوكسسيتيشن. هذه الاختلافات توفر وسيلة لإزالة الضوضاء الخلفية ولمراقبة التغييرات الهيكلية التي تهم مباشرة. وتكشف تحليلات أنماط الحيود التفاضلية إشارات التضمين من مجموعة فوتواكتيفي وحدها، ومن ثم استبعاد حيود ضارة من سلاسل الكربون غير فوتوريسبونسيفي. يرد وصف لهذا الأسلوب من التحليل التفاضلي الحيود في الهدا، وآخرونم.19.
قياسات حيود حل الوقت يمكن أن توفر معلومات هيكلية حول ترتيبات جديدة الذري التي تحدث أثناء مرحلة الانتقال في المواد20،21،،من2223، 24 , 25 , 26 , 27 , 28 , 29 والكيميائية التفاعلات بين الجزيئات30،،من3132،،من3334. مع هذه التطبيقات في الاعتبار، وقد تم إحراز تقدم ملحوظ في تطوير أولترابرايت ومتناهية نابض الأشعة السينية35،36 والالكترون37،،من3839 , مصادر 40 . ومع ذلك، حيود حل الوقت فقط تم تطبيق إلى جزيئات بسيطة ومعزولة أو إلى بلورات أحادية أو بولي، في التي أمرت بشدة شعرية غير العضوية أو الجزيئات العضوية إنتاج أنماط الحيود جيدا حلها توفير الهيكلية المعلومات. وفي المقابل، التحليل الهيكلي فائق السرعة من مواد لينة أكثر تعقيداً قد أعيقت بسبب مراحلها مرتبة أقل. في هذه الدراسة، ونحن تثبت استخدام حيود الإلكترون حل الوقت فضلا عن مطيافية الامتصاص عابرة والتحليل الطيفي الذبذبات حل وقت الأشعة تحت الحمراء (IR) لوصف ديناميات الهيكلية فوتواكتيفي LC المواد باستخدام هذا استخراج حيود منهجية19.
Protocol
Representative Results
Discussion
خطوة حاسمة من العملية خلال القياسات حيود الإلكترون حل الوقت هو الحفاظ على الجهد العالي (75 كيلو إلكترون فولط) دون التقلبات الحالية منذ المسافة بين إلكترونية والانود لوحة ~ 10 ملم فقط. إذا الحالية يتقلب أعلاه نطاق 0.1 µA قبل أو أثناء التجارب، بزيادة الجهد تسارع يصل إلى 90 كيلو إلكترون فولط تصريف ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ونحن نشكر الدكتور س. تاناكا في “معهد طوكيو للتكنولوجيا” لحل الوقت قياسات الذبذبات مطيافية الأشعة تحت الحمراء والحارة م. أ. د. والدكتور ك. ماتسو في جامعة ناغويا للقياسات XRD. نحن أيضا بفضل ياماغوتشي S. الأستاذ في جامعة ناغويا، أ. د. ر. هيرجيس في جامعة كيل وا. د. ر. ج. د ميلر في معهد ماكس بلانك لهيكل وديناميات هذه المسألة لمناقشة قيمة.
يتم دعم هذا العمل بتكنولوجيا العلوم اليابانية (JST)، المعزوفة، لتمويل المشاريع “التكنولوجيا الجزيئية وخلق وظائف جديدة” (منحة عدد من JPMJPR13KD و JPMJPR12K5 و JPMJPR16P6) و ” تحويل الطاقة الضوئية الكيميائية ”. هذا العمل تدعمه أيضا جزئيا JSPS منحة أرقام JP15H02103، JP17K17893، JP15H05482، JP17H05258، JP26107004، و JP17H06375.
Materials
| Chirped pulse amplifier | Spectra Physics Inc. | Spitfire ACE | For time-resolved IR vibration spectroscopy |
| Chirped pulse amplifier | Spectra Physics Inc. | Spitfire XP | For time-resolved electron diffractometry |
| Femtosecond laser | Spectra Physics Inc. | Tsunami | For time-resolved IR vibration spectroscopy |
| Femtosecond laser | Spectra Physics Inc. | Tsunami | For time-resolved electron diffractometry |
| Optical parametric amplifier | Light Conversion Ltd. | TOPAS prime | |
| 64-channel mercury cadmium tellurium IR detector array | Infrared Systems Development Corporation | FPAS-6416-D | |
| FT-IR spectrometer | Shimadzu Corporation | IR Prestige-21 | |
| High voltage supply | Matsusada precision | HER-100N0.1 | |
| Rotary pump | Edwards | RV12 | |
| Molecular turbo pumps | Agilent Technologies Japan, Ltd. | Twis Torr 304FS | |
| Vacuum gauges | Pfeiffer vacuum systems gmbh | PKR251 | For ICF70 flange |
| Vacuum monitors | Pfeiffer vacuum systems gmbh | TPG261 | |
| Fiber coupled CCD camera | Andor Technology Ltd. | iKon-L HF | |
| BaF2 and CaF2 substrates | Pier optics | Thickness 3 mm | |
| AgGaS2 crystal | Phototechnica Corporation | Custom-order | |
| BBO crystals | Tokyo Instruments, Inc. | SHG θ=29.2 deg THG θ=44.3 deg |
|
| calcite crystals | Tokyo Instruments, Inc. | Thickness 1mm | |
| Optical mirrors | Thorlabs | PF10-03-F01 PF10-03-M01 UM10-45A |
Al coat mirrors Au coat mirrors Ultrafast mirrors |
| Optical mirrors | HIKARI,Inc. | Broadband mirrors | |
| Dichroic mirrors | HIKARI,Inc. | Custom-order Reflection: 266 nm Transmission: 400, 800 nm |
|
| Optical chopper | Newport Corporation | 3501 optical chopper | |
| Optical shutters | Thorlabs Inc. | SH05/M SC10 |
|
| Optical shutters | SURUGA SEIKI CO.,LTD. | F116-1 | |
| Beam splitters | Thorlabs Inc. | BSS11R | |
| Fused-silica lenses | Thorlabs Inc. | LA4663 LA4184 |
|
| BaF2 lens | Thorlabs Inc. | LA0606-E | |
| Polarized mirrors | Sigmakoki Co.,Ltd | Custom-order Designed for 800 nm Reflection: s-polarized light Transmission : p-polarized light |
|
| Half waveplate | Thorlabs Inc. | WPH05M-808 | |
| Mirror mounts | Thorlabs Inc. | POLARIS-K1 KM100 |
Kinematic mirror mounts |
| Mirror mounts | Sigmakoki Co.,Ltd | MHAN-30M MHAN-30S |
Gimbal mirror mounts |
| Mirror mounts | Newport Corporation | ACG-3K-NL | Gimbal mirror mounts |
| Variable ND filters | Thorlabs Inc. | NDC-25C-2M | |
| Beam splitter mounts | Thorlabs Inc. | KM100S | |
| Lens mounts | Thorlabs Inc. | LMR1/M | |
| Rotational mounts | Thorlabs Inc. | RSP1/M | |
| Retroreflector | Edmund Optics | 63.5MM X 30" EN-AL | |
| spectrometers | ocean photonics | USB-4000 | |
| Power meter | Ophir | 30A-SH | Used for intensity monitor of CPA |
| Power meter | Thorlabs Inc. | S120VC PM100USB |
Used for intensity measurements of pump pulse |
| Photodiodes | Thorlabs Inc. | DET36A/M DET25K/M |
|
| DC power supply | TEXIO | PW18-1.8AQ | Used for magnetic lens |
| Magnetic lens | Nissei ETC Co.,Ltd | Custom-order | |
| Stages | Newport Corporation | M-MVN80V6 LTAHLPPV6 |
Used for magnetic lens |
| Stage controller | Newport Corporation | SMC100 | |
| Stages | Sigmakoki Co.,Ltd | SGSP20-35(X) SGSP20-85(X) |
Used for sample position |
| Stages | Sigmakoki Co.,Ltd | SGSP26-200(X) OSMS26-300(X) |
Used for delay time generator |
| Stage controller | Sigmakoki Co.,Ltd | SHOT-304GS | |
| Picoammeter | Laboratory built | ||
| spin coater | MIKASA Co.,Ltd | 1H-D7 | |
| hot plate | IKA® | C-MAG HP7 | |
| SiN wafer | Silson Ltd | Custom-order | |
| KOH aqueous solution (50%) | Hiroshima Wako Co.,Ltd. | 168-20455 | |
| Chloroform | Hiroshima Wako Co.,Ltd. | 038-18495 | |
| Dichloromethane | Hiroshima Wako Co.,Ltd. | 132-02456 | |
| Personal computers for the controlling programs | Epson Corporate | Endeavor MR7300E-L | 32-bit operation system |
| Program for the control the equipment | National Instruments Corporation | Labview2016 | |
| Program for the data analysis | The MathWorks, Inc. | Matlab2015b |
References
- Van Haaren, J., Broer, D. In search of the perfect image. Chem. Ind. 24, 1017-1021 (1998).
- Goodby, J. W., Collings, P. J., Kato, T., Tschierske, C., Gleeson, H. F., Raynes, P. . Handbook of Liquid Crystals. , (2014).
- Li, Q. . Liquid Crystal Beyond Displays. , (2012).
- Kato, T. Self-assembly of phase-segregated liquid crystal structures. Science. 295, 2414-2418 (2002).
- Fleismann, E. K., Zentel, R. Liquid-Crystalline Ordering as a Concept in Materials Science: From Semiconductors to Stimuli-Responsive Devices. Angew. Chem. Int. Ed. 52, 8810-8827 (2013).
- Sergeyev, S., Pisula, W., Geerts, Y. H. Discotic liquid crystals: a new generation of organic semiconductors. Chem. Soc. Rev. 36, 1902-1929 (2007).
- Goodby, J. W. Mesogenic molecular crystalline materials. Curr. Opin. Solid State Mater. Sci. 4, 361-368 (1999).
- Ichimura, K. Photoalignment of Liquid-Crystal Systems. Chemical Reviews. 100, 1847-1873 (2000).
- Ikeda, T. Photomodulation of liquid crystal orientations for photonic applications. J. Mater. Chem. 13, 2037-2057 (2003).
- Browne, W. R., Feringa, B. L. Making molecular machines work. Nat. Nanotech. 1, 25-35 (2006).
- Ikeda, T., Mamiya, J., Yu, Y. Photomechanics of liquid-crystalline elastomers and other polymers. Angew. Chem., Int. Ed. 46, 506-528 (2007).
- Sagara, Y., Kato, T. Brightly Tricolored Mechanochromic Luminescence from a Single-Luminophore Liquid Crystal: Reversible Writing and Erasing of Images. Angew. Chem. Int. Ed. 50, 9128-9132 (2011).
- Miyajima, D., et al. Ferroelectric columnar liquid crystal featuring confined polar groups within core-shell architecture. Science. 336, 209-213 (2012).
- White, T. J., Broer, D. J. Programmable and adaptive mechanics with liquid crystal polymer networks and elastomers. Nat. Mater. 14, 1087-1098 (2015).
- Saito, S., et al. Light-melt adhesive based on dynamic carbon frameworks in a columnar liquid-crystal phase. Nat. Commun. 7, 12094 (2016).
- Lagerwall, J. P. F., Giesselmann, F. Current Topics in Smectic Liquid Crystal Research. Chem. Phys. Chem. 7, 20-45 (2006).
- Yoon, H. G., Agra-Kooijman, D. M., Ayub, K., Lemieux, R. P., Kumar, S. Direct Observation of Diffuse Cone Behavior in de Vries Smectic-A and -C Phases of Organosiloxane Mesogens. Phys. Rev. Lett. 106, 087801 (2011).
- Takanishi, Y., Ohtsuka, Y., Takahashi, Y., Kang, S., Iida, A. Chiral doping effect in the B2 phase of a bent-core liquid crystal: The observation of resonant X-ray satellite peaks assigned to the 5/10 layer periodic structure. Euro. Phys. Lett. 109, 56003 (2015).
- Hada, M., et al. Structural Monitoring of the Onset of Excited-State Aromaticity in a Liquid Crystal Phase. J. Am. Chem. Soc. 139, 15792-15800 (2017).
- Cavalleri, A., et al. Femtosecond Structural Dynamics in VO2 during an Ultrafast Solid-Solid Phase Transition. Phys. Rev. Lett. 87, 237401 (2001).
- Hada, M., Okimura, K., Matsuo, J. Characterization of structural dynamics of VO2 thin film on c-Al2O3 using in-air time-resolved x-ray diffraction. Phys. Rev. B. 82, 153401 (2010).
- Eichberger, M., et al. Snapshots of cooperative atomic motions in the optical suppression of charge density waves. Nature. 468, 799-802 (2010).
- Ichikawa, H., et al. Transient photoinduced ‘hidden’ phase in a manganite. Nat. Mater. 10, 101-105 (2011).
- Hada, M., Okimura, K., Matsuo, J. Photo-induced lattice softening of excited-state VO2. Appl. Phys. Lett. 99, 051903 (2011).
- Zamponi, F., Rothhardt, P., Stingl, J., Woerner, M., Elsaesser, T. Ultrafast large-amplitude relocation of electronic charge in ionic crystals. P. Natl. Acad. Sci. USA. 109, 5207-5212 (2012).
- Beaud, P., et al. A time-dependent order parameter for ultrafast photoinduced phase transitions. Nat. Mater. 13, 923-927 (2014).
- Morrison, V. R., et al. A photoinduced metal-like phase of monoclinic VO revealed by ultrafast electron diffraction. Science. 346, 445-448 (2014).
- Han, T. -. R. T., et al. Exploration of metastability and hidden phases in correlated electron crystals visualized by femtosecond optical doping and electron crystallography. Sci. Adv. 5, 1400173 (2015).
- Waldecker, L., et al. Time-domain separation of optical properties from structural transitions in resonantly bonded materials. Nat. Mater. 14, 991-995 (2015).
- Minitti, M. P., et al. Imaging Molecular Motion: Femtosecond X-Ray Scattering of an Electrocyclic Chemical Reaction. Phys Rev. Lett. 114, 255501 (2015).
- Kim, K. H., et al. Direct observation of bond formation in solution with femtosecond X-ray scattering. Nature. 518, 385-389 (2015).
- Gao, M., et al. Mapping molecular motions leading to charge delocalization with ultrabright electrons. Nature. 496, 343-346 (2013).
- Ishikawa, T., et al. Direct observation of collective modes coupled to molecular orbital-driven charge transfer. Science. 350, 1501-1505 (2015).
- Xian, R., et al. Coherent ultrafast lattice-directed reaction dynamics of triiodide anion photodissociation. Nat. Chem. 9, 516-522 (2017).
- Chapman, H. N., et al. Femtosecond X-ray protein nanocrystallography. Nature. 470, 73-77 (2011).
- Ishikawa, T., et al. A compact X-ray free-electron laser emitting in the sub-ångström region. Nature Photonics. 6, 540-544 (2012).
- Zewail, A. H. Four-dimensional electron microscopy. Science. 328, 187-193 (2010).
- Sciaini, G., Miller, R. J. D. Femtosecond electron diffraction: heralding the era of atomically resolved dynamics. Rep. Prog. Phys. 74, 096101 (2011).
- Hada, M., Pichugin, K., Sciaini, G. Ultrafast structural dynamics with table top femtosecond hard X-ray and electron diffraction setups. Euro. Phys. J. Special Topic. 222, 1093-1123 (2013).
- Miller, R. J. D. Mapping atomic motions with ultrabright electrons: the chemists’ gedanken experiment enters the lab frame. Annu. Rev. Phys. Chem. 65, 583-604 (2014).
- Seki, T., Murase, T., Matsuo, J. Cluster size dependence of sputtering yield by cluster ion beam irradiation. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 242, 179-181 (2006).
- Mueller, C., Harb, M., Dwyer, J. R., Miller, R. J. D. Nanofluidic Cells with Controlled Pathlength and Liquid Flow for Rapid, High-Resolution In Situ Imaging with Electrons. J. Phys. Chem. Lett. 4, 2339-2347 (2013).
- Mouri, K., Saito, S., Yamaguchi, S. Highly Flexible π-Expanded Cyclooctatetraenes: Cyclic Thiazole Tetramers with Head-to-Tail Connection. Angew. Chem. Int. Ed. 51, 5971-5975 (2012).
- Mouri, K., Saito, S., Hisaki, I., Yamaguchi, S. Thermal 8π electrocyclic reaction of heteroarene tetramers: new efficient access to π-extended cyclooctatetraenes. Chem. Sci. 4, 4465-4469 (2013).
- Rosenberg, M., Dahlstrand, C., Kilså, K., Ottosson, H. Excited State Aromaticity and Antiaromaticity: Opportunities for Photophysical and Photochemical Rationalizations. Chem. Rev. 114, 5379-5425 (2014).
- Kato, T., Mizoshita, N., Kishimoto, K. Functional Liquid-Crystalline Assemblies: Self-Organized Soft Materials. Angew. Chem. Int. Ed. 45, 38-68 (2006).
- Rosen, B. M., et al. Dendron-Mediated Self-Assembly, Disassembly, and Self-Organization of Complex Systems. Chem. Rev. 109, 6275-6540 (2009).
- Fukazawa, N., et al. Time-Resolved Infrared Vibrational Spectroscopy of the Photoinduced Phase Transition of Pd(dmit)2 Salts Having Different Orders of Phase Transition. J. Phys. Chem. C. 117, 13187 (2013).
- Mukuta, T., et al. Infrared Vibrational Spectroscopy of [Ru(bpy)2(bpm)]2+ and [Ru(bpy)3]2+ in the Excited Triplet State. Inorg. Chem. 53, 2481-2490 (2014).
- Tanaka, S., Takahashi, K., Hirahara, M., Yagi, M., Onda, K. Characterization of the excited states of distal-. and proximal-.[Ru(tpy)(pynp)OH2]2+ in aqueous solution using time-resolved infrared spectroscopy. J. Photochem. Photobio. A. 313, 87-98 (2015).
- Mukuta, T., Tanaka, S., Inagaki, A., Koshihara, S., Onda, K. Direct Observation of the Triplet Metal-Centered State in [Ru(bpy)3]2+ Using Time-Resolved Infrared Spectroscopy. ChemistrySelect. 1, 2802-2807 (2016).
- Epp, S. W., et al. Time zero determination for FEL pump-probe studies based on ultrafast melting of bismuth. Str. Dyn. 4, 054308 (2017).
- Hada, M., et al. Cold ablation driven by localized forces in alkali halides. Nat. Commun. 5, 3863 (2014).
- Hada, M., et al. Ultrafast time-resolved electron diffraction revealing the nonthermal dynamics of near-UV photoexcitation-induced amorphization in Ge2Sb2Te5. Sci. Rep. 5, 13530 (2015).
- Hada, M., et al. Evaluation of Damage Layer in an Organic Film with Irradiation of Energetic Ion Beams. Jpn. J. Appl. Phys. 49, 036503 (2010).
- Hada, M., et al. Bandgap modulation in photoexcited topological insulator Bi2Te3 via atomic displacements. J. Chem. Phys. 145, 024504 (2016).
- Manz, S., et al. Mapping atomic motions with ultrabright electrons: towards fundamental limits in space-time resolution. Faraday Discuss. 77, 467-491 (2015).
