טכניקות הרומן להתבוננות מבניים הדינמיקה של גביש נוזלי Photoresponsive
Summary
כאן, אנו מציגים את הפרוטוקולים של ניתוחים דיפרנציאלית-זיהוי של זמן לפתור אינפרא-אדום הרטט ספקטרוסקופיה ו אלקטרון עקיפה המאפשרים אבחנת העיוותים של מבנים מקומיים סביב photoexcited מולקולות ב טורי גביש נוזלי, נותן מבט אטומית על הקשר בין המבנה את הדינמיקה של החומר photoactive.
Abstract
אנו נדון במאמר זה את המידות ניסיוני של המולקולות בשלב גביש נוזלי (LC) באמצעות ספקטרוסקופית הרטט זמן לפתור אינפרה-אדום (IR) אלקטרון זמן לפתור עקיפה. גביש נוזלי שלב היא מדינה חשובה של החומר הקיים בין השלבים הנוזלית והוא מצוי גם מערכות טבעיות כמו אלקטרוניקה אורגני. גביש נוזלי orientationally הורה אך באופן רופף ארוז, לכן, הייצורים החיים הפנימיים ואת במערכים של רכיבי מולקולרית של ארגון LCs ניתן לשנות על ידי גירויים חיצוניים. למרות מתקדם זמן לפתור שיטות דיפרקציה חשפו דינמיקה מולקולרית בעשירית בקנה מידה של גבישים יחיד, polycrystals, תצפיות ישירה של מבנים האריזה ואת הדינמיקה מרביים מחומרים קלים יש להיות הכבידו על ידי מטושטש תבניות עקיפה. כאן, אנו מדווחים זמן לפתור ספקטרוסקופיה הרטט IR ו אלקטרון diffractometry לרכוש תמונות מרביים של חומר LC טורי הנושאת moiety הליבה photoactive. זיהוי דיפרנציאלית ניתוחים של השילוב של זמן לפתור ספקטרוסקופיה הרטט IR של אלקטרון עקיפה הינם כלים רבי-עוצמה אפיון מבנים ואת הדינמיקה photoinduced מחומרים קלים.
Introduction
גביש נוזלי (ארגון LCs) יש מגוון פונקציות, נמצאים בשימוש נרחב ביישומים מדעיים וטכנולוגיים1,2,3,4,5,6. אופן הפעולה של ארגון LCs ניתן לייחס שלהם orientational פוקד גם לגבי ניידות גבוהה של המולקולות שלהם. מבנה מולקולרי של חומרים LC מאופיין בדרך כלל על ידי גרעין mesogen ושרשראות פחמן גמיש רב המבטיחים ניידות גבוהה של מולקולות LC. תחת לגירויים חיצוניים7,8,9,10,11,12,13,14,15 , כגון אור, שדות חשמליים, שינויי טמפרטורה או לחץ מכני, קטן “אינטרה”, תנועות הבין-מולקולרי של LC מולקולות הגורם דרסטית מבני סידור מחדש במערכת, שמוביל להתנהגות פונקציונאלית שלה. כדי להבין את הפונקציות של חומרים LC, חשוב לקבוע את המבנה בקנה מידה מולקולרי בשלב LC ולזהות חובה מפתח המולקולרי ודפורמציות אריזה.
רנטגן עקיפה (XRD) הוא מועסק בדרך כלל ככלי רב-עוצמה עבור קביעת מבנים של LC חומרים16,17,18. עם זאת, תבנית עקיפה שמקורם גרעין מגיב לגירויים פונקציונלי הוא לעיתים קרובות מוסווה ע י דפוס הילה רחבה משרשרת ארוכה פחמן. פתרון יעיל לבעיה זו מסופק על ידי ניתוח זמן לפתור עקיפה, המאפשרת תצפיות ישירה של דינמיקה מולקולרית באמצעות photoexcitation. טכניקה זו מחלצת מבניים מידע אודות moiety ארומטי photoresponsive באמצעות ההבדלים בין הדפוסים עקיפה שהושגו לפני ואחרי photoexcitation. הבדלים אלה לספק את האמצעים כדי להסיר את רעשי הרקע והן כדי לצפות ישירות את השינויים המבניים של עניין. ניתוחים של הדפוסים עקיפה דיפרנציאלית לחשוף את אותות מאופנן moiety photoactive לבד, ובכך למעט עקיפה ברישול מכל הכבלים פחמן אי-photoresponsive. תיאור של שיטת ניתוח עקיפה דיפרנציאלית ניתנת Hada, ואחמ19.
מדידות זמן לפתור עקיפה יכול לספק מידע מבניים על rearrangements אטומי המתרחשות במהלך המעבר לשלב חומרים20,21,22,23, 24 , 25 , 26 , 27 , 28 , תגובות 29 ו כימית בין מולקולות30,31,32,33,34. עם יישומים אלה בראש, נעשתה התקדמות נפלאה בפיתוח של ultrabright ו ultrashort פעמו קרני רנטגן35,36 , אלקטרון37,38,39 , 40 מקורות. עם זאת, זמן לפתור עקיפה בלבד הוחל מולקולות פשוטות, מבודד או חד – או פולי-קריסטלים, ב אשר מאוד הורה סריג אורגניים או מולקולות אורגניות לייצר עקיפה היטב נפתרה דפוסי מתן מבנית מידע. לעומת זאת, ניתוחים מבניים מרביים מחומרים קלים מורכבים יותר יש כבר הקשו בגלל שלהם שלבים פחות מסודרת. במחקר זה, נדגים את השימוש עקיפה אלקטרון זמן לפתור וכן ארעי ספקטרום בליעה של ספקטרוסקופיה הרטט זמן לפתור אינפרה-אדום (IR) כדי לאפיין את הדינמיקה מבנית של photoactive חומרים LC בעזרת זה מתודולוגיה עקיפה, חילוץ19.
Protocol
Representative Results
Discussion
צעד קריטי של התהליך במהלך המדידות עקיפה אלקטרון זמן לפתור היא שמירה על מתח גבוה (75 קוו) ללא תנודות הנוכחי מאז המרחק בין photocathode לבין אנודת צלחת הוא ~ 10 מ מ בלבד. אם הזרם תנודות מעל הטווח של 0.1 µA לפני או במהלך הניסויים, תגביר את המתח האצה עד 90 קוו כדי לשחרר ולהגדיר אותו שוב ל-75 קוו. תהליך מיזוג זה ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנו מודים ד ר טנקה ס במכון הטכנולוגי טוקיו למדידות הרטט ספקטרוסקופיית אינפרא-אדום זמן לפתור, פרופסור מ ההרה, ד ר ק’ מצואו ב אוניברסיטת נאגויה למדידות XRD. אנחנו גם תודה יאמאגוצ’י ס פרופסור ב אוניברסיטת נאגויה, פרופסור Herges ר ב אוניברסיטת קיל, פרופסור ר ג ד מילר מכון מקס פלנק למבנה, דינמיקה של החומר לדיון בעל ערך.
עבודה זו נתמכת על ידי היפני מדע טכנולוגיה (JST), פרסטו, למימון הפרויקטים “טכנולוגיה מולקולרית ויצירה של פונקציות חדשות” (גרנט מספר JPMJPR13KD, JPMJPR12K5 ו- JPMJPR16P6), “המרה כימית של אנרגיית האור”. עבודה זו נתמכת גם חלקית JSPS גרנט מספרים JP15H02103, JP17K17893, JP15H05482, JP17H05258, JP26107004 ו- 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).
