Nouvelles Techniques d’observation dynamique des structures des cristaux liquides photopériode
Summary
Nous présentons ici les protocoles d’analyses de détection différentiel de résolution temporelle infrarouge vibrationnel spectroscopie et electron diffraction permettant des observations des déformations des structures locales autour de molécules de photoexcitée dans une colonne cristaux liquides, ce qui donne un point de vue atomique sur la relation entre la structure et la dynamique de ce matériau photoactif.
Abstract
Nous discutons dans cet article les mesures expérimentales des molécules en phase cristalline liquide (LC) à l’aide de la spectroscopie vibrationnelle résolue infrarouge (IR) et la diffraction électronique résolution temporelle. Phase cristal liquide est un État important de la matière qui existe entre les phases solide et liquides et il est fréquent dans les systèmes naturels aussi bien que dans l’électronique organique. Cristaux liquides sont orientationnellement commandé mais embalées, et par conséquent, les conformations internes et les alignements des composantes moléculaires du LCs peuvent être modifiées par des stimuli externes. Bien qu’avancée résolution temporelle des techniques de diffraction ont révélé dynamique moléculaire picoseconde-échelle de monocristaux et polycristaux, l’observation directe des structures de l’emballage et dynamique ultrarapide des matériaux mous ont été entravés par le flou patrons de diffraction. Nous rapportons ici, spectroscopie résolue en temps de vibration IR et diffractométrie électron d’acquérir ultrarapides instantanés d’un matériau LC colonne portant une portion de noyau photoactifs. Des analyses de détection différentielle de la combinaison de résolution temporelle spectroscopie vibrationnelle IR et diffraction d’électrons sont des outils puissants pour caractériser les structures et photoinduit dynamique de matériaux souples.
Introduction
Cristaux liquides (LCs) ont une variété de fonctions et sont largement utilisés dans des applications scientifiques et technologiques1,2,3,4,5,6. Le comportement du LCs peut être attribué à leur orientation commande aussi bien quant à la grande mobilité de leurs molécules. Une structure moléculaire des matériaux LC est généralement caractérisée par un noyau mésogène et chaînes de carbone flexible long qui garantissent une mobilité élevée des molécules LC. En vertu de stimuli externes7,8,9,10,11,12,13,14,15 , comme la lumière, champs électriques, les changements de température ou pression mécanique, petit intra – et intermoléculaires motions de la LC molécules cause drastique structural réorganisation du système, conduisant à son comportement fonctionnel. Pour comprendre les fonctions des matériaux LC, il est important de déterminer la structure de l’échelle moléculaire dans la phase de la LC et d’identifier les principaux mouvements des conformations moléculaires et des déformations de l’emballage.
Diffraction des rayons x (DRX) est couramment employée comme un outil puissant pour la détermination de structures de LC matériaux16,17,18. Toutefois, le patron de diffraction provenant d’un noyau fonctionnel sensibles aux stimuli est souvent masquée par un motif de large halo depuis les longues chaînes carbonées. Une solution efficace à ce problème est fournie par l’analyse de diffraction résolution temporelle, qui permet l’observation directe de la dynamique moléculaire à l’aide de photoexcitation. Cette technique des extraits d’informations structurelles sur la fraction aromatique de photopériode en utilisant les différences entre les patrons de diffraction obtenus avant et après la photoexcitation. Ces différences permettent d’observer directement les changements structurels d’intérêt tant pour supprimer le bruit de fond. Les analyses de la diffraction de différentiel révèlent les signaux modulés de la portion photoactif seul, ce qui exclu la diffraction délétère des chaînes carbonées non photosensible. Une description de cette méthode d’analyse différentielle de diffraction est fournie en Hada, M. et al.,19.
Mesures de diffraction temporelle peuvent fournir des informations structurelles sur les réarrangements atomiques qui se produisent pendant la phase de transition en matériaux20,21,22,23, 24 , 25 , 26 , 27 , 28 , 29 et réactions physico-chimiques entre les molécules30,31,32,33,34. Avec ces applications à l’esprit, des progrès remarquables accomplis dans le développement d’ultrabright et ultracourtes pulsé rayons x35,électron et36 37,38,39 , 40 sources. Cependant, diffraction temporelle n’a été appliquée à des molécules simples, isolés ou de simple – ou poly-cristaux, dans qui fortement commandé inorganique treillis ou molécules organiques produisent des patrons de diffraction bien résolues fournissant structural informations. En revanche, ultrarapides analyses structurales des matériaux mous plus complexes ont été entravés en raison de leurs phases moins ordonnées. Dans cette étude, nous montrons l’utilisation de la diffraction d’électrons temporelle comme spectroscopie d’absorption transitoire et spectroscopie vibrationnelle résolue infrarouge (IR) pour caractériser la dynamique structurale de photoactifs matériaux LC en utilisant ce 19de méthodologie extraites à l’aide de diffraction.
Protocol
Representative Results
Discussion
L’étape cruciale du processus au cours des mesures de diffraction électronique résolution temporelle est de maintenir le niveau de tension (75 keV) sans fluctuation actuelle depuis la distance entre l’anode et la photocathode plaque est seulement ~ 10 mm. Si le courant fluctue au-dessus de la cuisinière de 0,1 µA avant ou au cours des expériences, augmenter la tension d’accélération jusqu’à 90 keV de décharger et de mettre à nouveau à 75 keV. Ce processus de conditionnement doit être fait jusqu’à ce q…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nous remercions m. S. Tanaka au Tokyo Institute of Technology pour mesures de spectroscopie vibrationnelle IR temporelle et Prof. M. Hara et Dr K. Matsuo à l’Université de Nagoya pour mesures XRD. On remercie également Yamaguchi S. professeur à l’Université de Nagoya, Herges R. professeur à l’Université de Kiel et Prof. R. J. D. Miller à l’Institut Max Planck pour la Structure et la dynamique de la matière pour discussion précieuse.
Ce travail est soutenu par la technologie japonaise de Science (JST), PRESTO, pour financer les projets « technologie moléculaire et création de nouvelles fonctions » (Grant nombre de JPMJPR13KD, JPMJPR12K5 et JPMJPR16P6) et de « Chemical conversion d’énergie lumineuse ». Ce travail est également partiellement soutenu par JSPS Grant numéros JP15H02103, JP17K17893, JP15H05482, JP17H05258, JP26107004 et 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 |
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