Liquids Near the Glass Transition are Supercooled! Investigating the ...

Report 2 Downloads 53 Views
Liquids Near the Glass Transition are Supercool­ed!  Investigating the Dynamic Heterogeneities of Supercooled Glycerol using  Single Molecule Microscopy Lindsay M. Leone, Stephan A. Mackowiak, and Laura J. Kaufman Department of Chemistry, Columbia University, 3000 Broadway, New York, NY 10027

Introduction

Analysis

      

Schematic  diagram  of  probes  (red)  embedded  in  a supercooled liquid host.   The  probe  mimics  the  slow  (white  ovals)  or  fast  (green  ovals)  dynamics  of  the  molecules  that  surround it.

Glass former host

The  intensities  of  both  polarizations  of  fluorescence emission  of each molecule are  recorded  over  time.  From  these  trajectories,  the  linear  dichroism  (LD)  is  calculated.  Subsequently,  an  autocorrelation  function  (ACF)  is  calculated  and  fit  with  the  non­  exponential decay function.  From this fit, the  rotational relaxation time, τc, is extracted:  t β

C(t) = Ke ­ (      ) τ

Linear Dichroism

Bulk Dynamics Before considering the information contained in the  SM  results  (left),  first,  the  average  results  for  the  probes studied must be considered.  For each PDI  probe  in  glycerol  for  temperatures  ranging  from  198  K  (1.04Tg)  –  212  K  (1.12Tg),  all  SM  τc  values  are  averaged  as  shown  on  the  graph  below.    Based  on  the  Debye­Stokes­Einstein  (DSE)  equation for typical liquids,

τc = Vη(T) kBT

dapPDI

dapPDI, MW = 561 g/mol

a hydrodynamic volume for each probe is assigned  based  on  the  probe's  average  τc  values  across  temperatures.    Unexpectedly,  the  probe  with  the  largest  molecular  weight  and  space  filling  volume,  tbPDI  rotated  the  fastest  (corresponding  to  the  smallest  hydrodynamic  volume).    This  suggests  hydrogen­bonding  ability  of  dpPDI  and  dapPDI  (which  is  sterically  hindered  by  the  bulky  t­butyl  groups in tbPDI)  slows their rotation. V = 2.02nm3

tbPDI, MW = 767 g/mol V = 1.27nm3

tbPDI

V = 0.40nm

3

Alternates plane polarized  light between s­ to p­ polarization

Each molecule's  s­  and p­polarized  emission  fluorescence  intensity is tracked.

AOM = acousto­optical modulator EOM = electro­optical modulator L = lens F = filter BS = beamsplitter

An  ACF  for  each    movie  for  each  molecule  is  calculated  and  fit  with  the  nonexponential  decay  function.    All  τc's  for  each  molecule  are  normalized  to  the  smallest  τc  recorded  for that particular

Ip

τc= τ Γ (1 ) β β

Breadth of Relaxation Times

dpPDI, MW = 599 g/mol

 

τ

(103τα 106τα)  between  each  movie,  and  subsequently  the  linear  dichroism is calculated.

Heterogeneous Dynamics

Fluorescent Probes

Experimental Setup

exchange  on  very  long  times  compared  to  τα.  Several  movies  are  collected consecutively on the same dpPDI molecules embedded in  a  glycerol  sample  at  a  given  temperature  with  specific  wait  times 

 t β ­ (      )

Autocorrelation Function

Above are the normalized distributions of  τc  values  for each SM probe across eight temperatures:  .  Each  histogram  for  a  given  temperature  contains  at  least  150  molecules  and  as  many  as  1319!    The  histograms have a log normal distribution, and the shape and width of the distributions for a given probe  remain constant as a function of temperature, suggesting the degree of heterogeneity is constant over  the temperature range probed. The broader distribution of tbPDI relaxation times relative to those  of  dpPDI  and  dapPDI  suggests  that  the  more  quickly  rotating  probes  can   report  a  more  significant  breadth  of  heterogeneity  than  the  more  slowly  rotating  probes.   Therefore,  the  time  averaging resulting from relatively slow probe rotation can be considered responsible for narrowing the  rotational  relaxation  time  distribution.    This  suggests  that  dynamic  exchanges  occur  on  time  scales  similar to or shorter than probe rotation.  Explicit investigation of the time scale of dynamic exchange is  discussed at right.

Dynamic Exchange

molecule.    These  values  are  plotted.    Changing  values  of  τc  (as  indicated  by  crossing  lines  in  the  figure  at  left)  indicate  changes in dynamics.   Investigation  of  such  changes  in  τc  as  a  function  of  waiting 

The  time  scale  on  which  regions  of  molecules  alter  their  dynamics is investigated explicitly using two complementary  techniques that probe different time scales.

times  from  103τα 106τα

indicates  no  more exchanges occur 

Window Shifting Technique A  window  shifting  approach  can  detect  changes  in  dynamics  during  the  collected  trajectories.  The  LD  trajectory  for  each    molecule is split up into segments by a window slid along the  trajectory.  An ACF is calculated and fit for each segment, and  the  relaxation  times  from  each  fit  are  plotted  a  function  of  starting window position time.   This is called ­trajectory. Each  molecule    can  now be assessed for  heterogeneity,  and  exchange  times  can  be  determined.    At  204K,  15  ­  30%  of  individual  probe  molecules    are  found  to  be  heterogeneous  by  this  approach.    A  distribution  of  exchange times (τex)  with  respect  to  τc  is  τ­trajectory plot presented  for  all  heterogeneous  dpPDI  molecules  (out  of  243  molecules  assessed)  at  204K  (below).   τex/τc can   be  translated  into  values  relative  to  τα , the  structural  relaxation time of glycerol.  As such, τex/τα ∼3600 for dpPDI  and    τex/τα ∼600  for  tbPDI  in  glycerol  at  204K.    This  large  shows  probe  size  difference sensitively influences  the  time  scale  on  which  exchange  times  can  be  assessed.    We  assess  exchange  on  longer  time  scales  relative  to  τα in  a  complementary  technique  presented  at  right.   

106τα

105τα

Results and Discussion

Glycerol, MW = 92 g/mol Tg=190K  (­83°C)  Fluorescent  probes  are  uniformly  mixed  in  spectrophotometric  grade  glycerol  to  make  a  10­9 M  solution.  The probe/glycerol solution is  spin  coated  onto  a  clean  silicon  wafer.    After  the  sample  is  placed  in  the  cryostat,  the  sample  is  held  under  vacuum  and  cooled  to  the  desired  temperature  near  glycerol's  Tg.  The fluorophores in the sample are excited by  alternating s­ and p­ polarized light from a 514  nm Ar+  ion laser.  The emitted fluorescence is  split  into  2  orthogonal  polarizations  by  a  Wollaston  prism  and  collected  on  an  EMCCD  camera.    As  the  orientation  of  the  induced  dipole  of  the  probe  changes  due  to  the  relaxation  of  the  surrounding  host  molecules,  the  emitted  fluorescence  will  change,  and  therefore its rate of rotation can be monitored.

Ke 

Is

dpPDI

Experimental

A  second  technique  is  performed  to  directly  observe  dynamic 

p­polarization

τc / τminimum

Amorphous  systems lacking  long range  order in the temperature range  between  the  melting  temperature,  Tm,  and  the  glass  transition  temperature, Tg, are known as supercooled liquids.  They remain one of  the  least  understood  types  of  condensed  matter;  therefore,  their  fundamental  properties  as  well  as  applications  are  of  interest.  Supercooled liquids exhibit non­exponential relaxations and are believed  to  have  sub­micron  sized  regions  of  molecules  exhibiting  relaxation  times  that  can  differ  by  orders  of  magnitude  from  those  in  neighboring  regions.  To  observe  the  length  scales  over  which  these heterogeneous  regions  exist  and  the  time  scales  on  which  they  persist  while  avoiding  ensemble  averaging  over  multiple  regions,  a  single  molecule  (SM)  approach  becomes  crucial.    SM  fluorophores  embedded  in  the  glass  former  host  are  believed  to  mimic  the  dynamics  of  their  surrounding  molecules.    By  observing  many  individual  probes'  rotational  relaxation  rates simultaneously using wide field single molecule microscopy across  temperatures  near  Tg,    the  dynamics  of  the  supercooled  liquid  can  be  monitored.    The  breadth  of  rotational  relaxation  times  reports  on  the  spatial  heterogeneity  of  the  system  while  the  changes  in  a  particular  probe's  dynamics  over  time  reports  on  temporal  heterogeneity,  i.e.  whether the dynamics are changing from fast to slow or vice versa.          

s­polarization

Long Time Heterogeneity Assessment

10 τ α 5

   

10 τ α 6

   

between  105τα

and

106τα  than  at  shorter 

times.

Conclusions Heterogeneous Dynamics ●

Temperature dependence of the median relaxation time for each probe  mirrors that of glycerol. ●



The calculated hydrodynamic volume is the smallest for the largest probe,  tbPDI, due to its lack of hydrogen­bonding with glycerol.

On the SM level ●





The distribution of relaxation times of probes  ● appears log­normal.  ● is relatively constant as a function of temperature. The  breadth  of  spatially  heterogeneous  dynamics  reported  is  not  proportional to probe molecular weight but is proportional to average probe  rotational relaxation time.  Temporal  not  spatial  averaging  by  the  probe  is  the  determining  factor  for  reported breadth of heterogeneity.

Dynamic Exchange ●

The  window  shifting technique reports  heterogeneity  is  present  at the  time scales probed for all SM probes. ●



Long time sensitivity length is ~103τα­105τα (depending on the probe).

The  long  time  heterogeneity  assessment  of  exchange  is  consistent  with results attained from the window shifting analysis. ●

An  upper  bound  on  exchange  time  dynamics  in  supercooled  glycerol  is  attained.             Future Research

● ●

Investigating probe dependent behavior in a non­polar glass former Measuring translation and rotation of probe molecules in a glassy host

Acknowledgements This research was supported by the National Science Foundation under  grant numbers CHE 0744322 and DGE 0801530 and NSF GRFP. Contributors  to  the  work  shown  here  are  Stephan  Mackowiak,  Tobias  Herman, Lindsay Leone and Professor Laura Kaufman.  Also, a special  thanks to all of the Kaufman lab members for their help and support.