Neuartige Techniken zur Beobachtung von Strukturdynamik von Photoresponsive Flüssigkristallen
Summary
Hier präsentieren wir Ihnen die Protokolle der Differential-Erkennung Analysen der Zeitaufgelösten Infrarot-Schwingungs-Spektroskopie und Elektron Beugung die Beobachtungen der Deformationen der lokalen Strukturen rund um Photoexcited Moleküle in einem einspaltigen ermöglichen Flüssigkristall, indem er eine atomare Perspektive auf die Beziehung zwischen der Struktur und der Dynamik dieses photoaktiven Materials.
Abstract
Wir diskutieren in diesem Artikel die experimentelle Messungen der Moleküle phasengleich Flüssigkristalle (LC) mit Hilfe der Zeitaufgelösten Infrarot (IR)-Schwingungs-Spektroskopie und Zeitaufgelöste Elektronenbeugung. Flüssigkristall-Phase ist ein wichtiger Zustand der Materie, die zwischen der festen und flüssigen Phasen besteht, und es ist üblich in natürlichen Systemen ebenso wie in der organischen Elektronik. Flüssigkristalle sind orientationally bestellt, aber lose verpackt, und daher die interne Konformationen und Ausrichtungen der molekularen Komponenten der LCs können durch äußere Reize geändert werden. Obwohl Zeitaufgelösten erweiterte Beugung Techniken ergaben Pikosekunden-Skala Molekulardynamik von Einkristallen und Mössbauerspektroskopie, direkte Beobachtungen der Verpackung Strukturen und ultraschnelle Dynamik aus weichen Materialien wurde durch verschwommene behindert Beugungsmuster. Hier berichten wir Zeitaufgelösten IR Schwingungs-Spektroskopie und Elektron mineralanteile, ultraschnelle Momentaufnahmen aus einem säulenförmigen LC-Material mit einer photoaktiven Kern Glyko-zu erwerben. Differential-Erkennung Analysen der Kombination von Zeitaufgelösten Schwingungs-IR-Spektroskopie und Elektronenbeugung sind leistungsfähige Werkzeuge für die Charakterisierung von Struktur und Dynamik der photoinduzierte aus weichen Materialien.
Introduction
Flüssigkristalle (LCs) haben eine Vielzahl von Funktionen und sind weit verbreitet in wissenschaftlichen und technologischen Anwendungen1,2,3,4,5,6. Das Verhalten der LCs kann ihre tatsächlichen Bestellung sowie hinsichtlich der hohen Mobilität ihrer Moleküle zugeschrieben werden. Eine molekulare Struktur des LC Materialien zeichnet sich in der Regel durch einen Mesogen Kern und langen, flexiblen Kohlenstoffketten, die hohen Mobilität der LC Moleküle zu gewährleisten. Unter äußere Reize7,8,9,10,11,12,13,14,15 , z. B. Licht, elektrische Felder, Temperaturschwankungen oder mechanische Druck, kleine Intra- und intermolekularen Bewegungen die LC-Moleküle Ursache drastische strukturelle Neuordnung im System, was zu seiner funktionellen Verhalten. Um die Funktionen des LC Materialien zu verstehen, ist es wichtig, ermitteln die molekularen Skala-Struktur in der LC-Phase und die wichtigsten Bewegungen des molekularen Konformationen und Verpackung Verformungen.
Röntgendiffraktometrie (XRD) wird allgemein als ein mächtiges Werkzeug für die Bestimmung der Strukturen des LC Materialien16,17,18eingesetzt. Das Beugungsmuster aus einem funktionalen Reize reagierende Kern ist jedoch oft durch ein breites Halo-Muster der langen Kohlenstoffketten verborgen. Eine effektive Lösung für dieses Problem bietet Zeitaufgelösten Beugung Analyse ermöglicht direkte Beobachtungen der Molekulardynamik photoanregung zu verwenden. Diese Technik extrahiert strukturelle Informationen über die Photoresponsive aromatischen Glyko-über die Unterschiede zwischen den vor und nach photoanregung Beugungsmuster. Diese Unterschiede bieten die Möglichkeit, die Hintergrundgeräusche zu entfernen und die strukturellen Veränderungen des Interesses direkt zu beobachten. Analysen der differenziellen Beugungsmuster zeigen die modulierte Signale aus der photoaktiven Abstimmungsunterlagen allein, damit die schädliche Beugung von den nicht Photoresponsive carbonketten auszuschließen. Eine Beschreibung dieser Analysemethode für differenzielle Beugung in Hada, M. Et Al19.
Beugung Zeitaufgelöste Messungen bieten strukturelle Informationen über die atomaren Umgestaltungen, die auftreten, während der Phasenübergang Materialien20,21,22,23, 24 , 25 , 26 , 27 , 28 , 29 und chemische Reaktionen unter Moleküle30,31,32,33,34. Mit diesen Anwendungen im Auge hat bemerkenswerte Fortschritte bei der Entwicklung von ultrabright und ultrakurzen gepulst Röntgen35,36 und Elektron37,38,39 , 40 Quellen. Jedoch Zeitaufgelösten Beugung nur angewendet wurde, einfache, isolierten Molekülen oder zur Einzel- oder Poly-Kristalle die höchst anorganische Gitter bestellt oder organische Moleküle produzieren gut gelöst Beugungsmuster Bereitstellung von strukturellen Informationen. Im Gegensatz dazu haben ultraschnelle Strukturanalysen von komplexeren weichen Materialien aufgrund ihrer weniger geordneten Phasen behindert worden. In dieser Studie zeigen wir Ihnen die Verwendung von Zeitaufgelösten Elektronenbeugung und transiente Absorption Spektroskopie sowie Zeitaufgelösten Infrarot (IR)-Schwingungs-Spektroskopie zur Charakterisierung der Strukturdynamik von photoaktiven LC Materialien mit dieser Beugung-extrahiert Methodik19.
Protocol
Representative Results
Discussion
Der entscheidende Schritt des Prozesses während der Zeitaufgelösten Electron Diffraction Messungen ist die Aufrechterhaltung der hohen Spannung (75 keV) ohne aktuelle Fluktuation, da der Abstand zwischen der Photokathode und Anode Platte ist nur ca. 10 mm. Wenn der Strom über dem Bereich von 0,1 µA vor oder während der Experimente schwankt, erhöhen die Beschleunigungsspannung bis zu 90 keV zu entladen und setzen Sie ihn wieder auf 75 keV. Diese Konditionierung muss durchgeführt werden, bis der Strom im Bereich von…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wir danken Dr. S. Tanaka am Tokyo Institute of Technology für Zeitaufgelöste IR Schwingungs-Spektroskopie Messungen und Prof. M. Hara und Dr. K. Matsuo an der Nagoya Universität für XRD-Messungen. Wir bedanken uns auch Prof. S. Yamaguchi an der Nagoya University, Prof. R. Herges an der Universität Kiel und Prof. R. J. D. Miller am Max Planck Institut für die Struktur und Dynamik von Materie wertvolle Diskussionsgrundlage.
Diese Arbeit wird unterstützt durch die japanische Science Technology (JST), PRESTO, zur Finanzierung der Projekte “Molekulare Technologie und Schaffung von neuen Funktionen” (Grant Number JPMJPR13KD, JPMJPR12K5 und JPMJPR16P6) und “Chemische Umwandlung von Lichtenergie”. Diese Arbeit wird auch teilweise von JSPS Zuschuss Zahlen JP15H02103, JP17K17893, JP15H05482, JP17H05258, JP26107004 und JP17H06375 unterstützt.
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
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