Novas técnicas para observar a dinâmica estrutural de cristais líquidos de Photoresponsive
Summary
Aqui, apresentamos os protocolos de análises de diferencial-deteção de tempo-resolvido infravermelho vibracional espectroscopia e elétron difração que permitem observações das deformações de estruturas locais ao redor de moléculas de photoexcited em um colunar cristal líquido, dando uma perspectiva atômica, sobre a relação entre a estrutura e a dinâmica deste material fotoativa.
Abstract
Discutimos neste artigo as medições experimentais das moléculas na fase de cristal líquido (LC) utilizando a espectroscopia vibracional de tempo-resolvido infravermelho (IR) e difração de elétrons tempo-resolvido. Fase de cristal líquido é um estado importante de matéria que existe entre as fases sólidas e líquidas, e é comum em sistemas naturais, bem como na eletrônica orgânica. Cristais líquidos são ordenados orientationally mas vagamente embalados, e portanto, as conformações internas e alinhamentos dos componentes moleculares do LCs podem ser modificados por estímulos externos. Embora avançado tempo-resolvido técnicas de difração revelaram dinâmica molecular picosegundo-escala de monocristais e polycrystals, observações diretas de embalagem estruturas e dinâmica ultra rápida de materiais macios foram dificultados pela embaçada padrões de difração. Aqui, nós relatamos espectroscopia vibracional resolvido a tempo de IR e difratometria de elétron para adquirir instantâneos ultra rápidos de um material de LC colunar tendo um moiety núcleo fotoativa. Análises de diferencial-deteção da combinação de tempo resolvido por espectroscopia vibracional IR e difração de elétrons são ferramentas poderosas para caracterizar estruturas e dinâmica de participação de materiais macios.
Introduction
Cristais líquidos (LCs) têm uma variedade de funções e são amplamente utilizados em aplicações científicas e tecnológicas,1,2,3,4,5,6. O comportamento do LCs pode ser atribuído à sua ordenação como orientação tão bem quanto a alta mobilidade de suas moléculas. Estrutura molecular dos materiais LC é tipicamente caracterizada por um núcleo de mesogen e cadeias de carbono longo e flexível que garantem alta mobilidade das moléculas do LC. Sob estímulos externos7,8,9,10,11,12,13,14,15 , tais como luz, campos elétricos, mudanças de temperatura ou pressão mecânica, pequena intra e intermoleculares moções de LC moléculas causa drásticas estruturais reordenação do sistema, levando ao seu comportamento funcional. Para entender as funções de materiais da LC, é importante determinar a estrutura molecular da escala na fase de LC e identificar os movimentos principais das conformações moleculares e deformações de embalagem.
Difração de raios x (XRD) é comumente empregada como uma ferramenta poderosa para a determinação de estruturas de LC materiais16,17,18. No entanto, o padrão de difração, proveniente de um núcleo funcional de estímulos-responsivo é muitas vezes escondido por um padrão de larga auréola de cadeias de carbono de longa. Uma solução eficaz para esse problema é fornecida pela análise de difração de tempo determinado, que permite observações diretas de dinâmica molecular, usando photoexcitation. Esta técnica extrai informações estruturais sobre o moiety aromáticos photoresponsive usando as diferenças entre os padrões de difração obtidos antes e depois photoexcitation. Essas diferenças fornecem os meios para remover o ruído de fundo e observar diretamente as mudanças estruturais de interesse. Análises dos padrões de difração diferencial revelaram os sinais modulados do moiety fotoativa sozinho, assim, excluindo a efeito deletéria difração de cadeias de carbono não-photoresponsive. Uma descrição do método de análise de difração diferencial é fornecido em Hada, M. et al.19.
Medições de tempo-resolvido difração podem fornecer informações estruturais sobre os rearranjos atômicos que ocorrem durante a transição de fase em materiais20,21,22,23, 24 , 25 , 26 , 27 , 28 , 29 e produto químico reações entre moléculas30,31,32,33,34. Com esses aplicativos em mente, notáveis progressos no desenvolvimento do ultrabright e pulsado ultracurtos raio x35,36 e elétron37,38,39 , 40 fontes. No entanto, difração de tempo-resolvido só foi aplicada a moléculas simples, isoladas ou para single – ou poli-cristais, em que ordenou altamente reticulado inorgânico ou moléculas orgânicas produzem padrões de difração bem resolvido fornecendo estrutural informações. Em contraste, análises estruturais ultra rápidas de materiais macios mais complexas foram dificultadas por causa de suas fases menos ordenadas. Neste estudo, vamos mostrar o uso de difração de elétrons tempo-resolvido bem como espectroscopia de absorção transitória e espectroscopia vibracional de tempo-resolvido infravermelho (IR) para caracterizar a dinâmica estrutural de materiais de LC fotoativa usando este metodologia de difração-extraído19.
Protocol
Representative Results
Discussion
A etapa crucial do processo durante as medições de difração de elétrons tempo-resolvido é manter a alta voltagem (75 keV) sem flutuação atual desde a distância entre o ânodo e o fotocátodo placa é somente ~ 10 mm. Se a corrente flutua acima da faixa de 0,1 µA antes ou durante os experimentos, aumentar a tensão de aceleração até 90 keV para descarga e configurá-lo novamente para 75 keV. Este processo de condicionamento tem que ser feito até que a corrente oscila na faixa de 0,1 µA. O projeto apropriado…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Agradecemos o Dr. S. Tanaka no Tokyo Institute of Technology para medidas de espectroscopia vibracional de IR tempo-resolvido e Prof M. Hara e Dr. K. Matsuo na Universidade de Nagoya para medições de XRD. Também agradecemos a Prof S. Yamaguchi da Universidade de Nagoya, Prof R. Herges na Universidade de Kiel e Prof R. J. D. Miller no Instituto Max Planck para a estrutura e dinâmica da matéria para discussão valioso.
Este trabalho é apoiado pela tecnologia japonesa de ciência (JST), pronto, para financiar os projectos “tecnologia Molecular e criação de novas funções” (Grant Number de JPMJPR13KD, JPMJPR12K5 e JPMJPR16P6) e “Conversão química de energia da luz”. Este trabalho é também parcialmente apoiado pela JSPS Grant números JP15H02103, JP17K17893, JP15H05482, JP17H05258, JP26107004 e 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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