الكهروكيميائية Cholesteric سائلة بلورية جهاز لتعديل لون سريعة والجهد المنخفض
Summary
بروتوكول لتصنيع جهاز عاكس عرض بلوري سائل cholesteric المحتوية على يرد يستعمل مراوان مراعية للأكسدة والاختزال السماح بعملية سريعة والجهد المنخفض.
Abstract
علينا أن نظهر أسلوباً لاختلاق جهاز عرض يعكس نموذج الذي يحتوي على cholesteric الكريستال السائل (LC) كعنصر نشط. وتتألف cholesteric LC nematic LC 4 ‘-بينتيلوكسي-4-سيانوبيفينيل (5OCB)، ويستعمل مراوان المراعية للأكسدة والاختزال (إف سيد) ودعم اﻻلكتروﻻيت 1-إيثيل-3-ميثيليميدازوليوم تريفلوروميثانيسولفوناتي (اميم-اللوبي). أهم عنصر هو إف سيد. هذا الجزيء يتغير قيمته السلطة (بالمشاركة) التواء حلزوني استجابة لتفاعلات الأكسدة والاختزال. ولذلك، تسمح تفاعلات الأكسدة الكهروكيميائية في الموقع في خليط LC الجهاز لتغيير لونه انعكاس في الاستجابة للمحفزات الكهربائية. قدم الخليط LC بعمل شعري، في نوع ساندويتش إيتو زجاج خلية يتألف من شريحتين زجاج مع أقطاب أكسيد القصدير (إيتو) إنديوم منقوشة، واحدة منها كانت مغطاة بطبقة poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-co-بولي (الإيثيلين يخدر جليكول) مع بيركلورات (بيدوت+). بناء على طلب من + 1.5 V، تغيير لون انعكاس للجهاز من الأزرق (467 nm) إلى اللون الأخضر (485 نانومتر) في 0.4 اللاحقة س. تقديم طلب 0 الخامس الجهاز استعادة اللون الأزرق الأصلي في 2.7 s. يتميز هذا الجهاز باستجابته أسرع الكهربائية والتشغيل أدنى الجهد بين أي جهاز LC cholesteric المبلغ عنها سابقا. هذا الجهاز يمكن أن يمهد الطريق لتطوير القادم جيل يعرض العاكسة مع معدلات استهلاك منخفض للطاقة.
Introduction
Cholesteric البلورات السائلة (LCs) معروفة لمعرض انعكاس مشرق الألوان بسبب تلك الترتيبات الجزيئية حلزونية داخلية1،2،3،4. الطول الموجي انعكاس λ يتحدد الملعب حلزونية ف والانكسار المتوسط مؤشر ن من قانون العمل (λ = nP). يمكن إنشاء مثل هذه LCs بالمنشطات مراوان المركبات (دوبانتس مراوان) إلى nematic LCs والملعب حلزوني تحدده المعادلة P = 1/βمج، βم فيها قوة اللف حلزوني (بالمشاركة) و C هو المولى جزء بسيط يستعمل انطباقي. استناداً إلى هذه الفكرة، دوبانتس مراوان المختلفة التي يمكن أن تستجيب لمجموعة متنوعة من المنبهات مثل الضوء5،6،،من78والحرارة9والمجال المغناطيسي10والغاز11 وقد وضعت. هذه الخصائص التي يمكن أن تكون مفيدة للعديد من التطبيقات مثل أجهزة الاستشعار12 وأشعة الليزر13،،من1415 بينها16،17،18 .
في الآونة الأخيرة، قمنا بتطوير الأول يستعمل مراوان المراعية للأكسدة إف سيد (الشكل 1أ)19 التي يمكن تغيير قيمته بالمشاركة في الرد على تفاعلات الأكسدة والاختزال. إف سي وتتألف من وحدة فيرسين، التي يمكن أن تخضع للأكسدة عكسها ردود فعل20،،من2122، ووحدة بينافثيل، والتي من المعروف أن معرض عالية القيمة بالمشاركة23 د . LC cholesteric يخدر مع إف سيد، حضور اﻻلكتروﻻيت داعمة، يمكن تغيير لونه انعكاس داخل 0.4 s واستعادة اللون الأصلي في 2.7 ثانية عند تطبيق الجهد + 1.5 و 0 الخامس، على التوالي. ولاحظ بسرعة استجابة عالية ومنخفضة الجهد التشغيل للجهاز لم يسبق له مثيل بين أي جهاز LC cholesteric حتى الآن ويقال.
أحد التطبيقات الهامة ل cholesteric LCs في عرض العاكسة، معدل استهلاك الطاقة الذي أقل بكثير مما يعرض LC التقليدية. ولهذا الغرض، يجب تغيير cholesteric LCs لونه التفكير مع المحفزات الكهربائية. ومع ذلك، تستخدم معظم المنهجيات السابقة الكهربائية اقتران بين المحفزات الكهربائية التطبيقية وجزيئات LC المضيفة، الأمر الذي يتطلب الجهد العالي ما يزيد على 40 الخامس24،،من2526،27 ،28. لاستخدام يستعمل مراوان تستجيب كهربائياً، هناك فقط بضعة أمثلة29،30 بما في ذلك جهودنا السابقة العمل31، الأمر الذي يتطلب أيضا الجهد العالي مع سرعة استجابة منخفضة. النظر في هذه الأعمال السابقة، أداء لدينا ناديد-جهاز LC cholesteric مخدر، خاصة بالنسبة لسرعة تعديل لون سريعة (0.4 s) والجهد التشغيل المنخفض (1.5 V)، هو أحد الإنجازات رائدة التي يمكن إلى حد كبير الإسهام في وضع يعرض العاكسة الجيل القادم. في هذا البروتوكول مفصلاً، نظهر في عمليات التصنيع، وإجراءات التشغيل لأجهزة عرض النموذج LC cholesteric.
Protocol
Representative Results
Discussion
بناء على طلب من + 1.5 V إلى أعلى إيتو قطب كهربائي (الشكل 1ج)، يخضع إف سيد فعل أكسدة لتوليد إف سيد+. كما قوة التواء حلزوني إف سيد+ (101 ميكرومتر-1، <st…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ونشكر الدكتور كيسوكي تاجيما من مركز بتبريد “العلم هذه المسألة الناشئة” للمناقشات القيمة. جزء من هذا العمل وقد أجرى في منصة تقنية النانو توصيف متقدمة من جامعة طوكيو، وتدعمها وزارة التربية والتعليم، والثقافة والرياضة، والعلوم والتكنولوجيا، اليابان. هذا العمل ماليا وأيده معونات JSPS للعلمية البحثية (S) (ح 18 05260) على “المواد الفنية المبتكرة استناداً إلى مقياس متعدد العلوم الجزيئية السطح البيني” لتشعر بالامتنان لمعونات JSPS لتحدي Y.I. يأتون البحوث الاستكشافية (14062 ك 16). شارع فضل زمالة عالم الشباب JSPS.
Materials
| 1-Ethyl-3-methylimidazolium Trifluoromethanesulfonate, 98% | TCI | E0494 | |
| 4-Cyano-4'-pentyloxybiphenyl, 98% | TCI | C1551 | |
| Diamond tipped glass cutter | AS ONE | 6-539-05 | |
| Dichloromethane, 99.5% | KANTO CHEMICAL | 10158-2B | HPLC grade |
| Differential Scanning Calorimeter | METTLER TOLEDO | DSC 1 | |
| Digital microscope | KEYENCE | VHX-5000 | |
| Extran MA01 | Merck | 107555 | |
| Fully ITO-coated glass plate | Costum order, Resistance: ~30Ω | ||
| Glass beads | Thermo Fisher Scientific | 9005 | 5 ± 0.3 μm in diameter |
| Hot stage | INSTEC | mK1000 | |
| ITO-patterned glass plate | Costum order, Resistance: ~30Ω | ||
| Oil rotary vacuum pump | SATO VAC | TSW-150 | Pressure: ~5 Pa |
| Optical adhesive | Noland | NOA81 | |
| Poly(3,4-ethylenedioxythiophene), bis-poly(ethyleneglycol), lauryl terminated | Sigma Aldrich | 687316 | 0.7 wt% (dispersion in nitromethane) |
| Potentiostat | TOHO TECHNICAL RESEARCH | PS-08 | |
| Rubbing machine | EHC | MRJ-100S | |
| Spectrophotometer | JASCO | V-670 UV/VIS/NIR | |
| Spin coater | MIKASA | 1H-D7 | |
| Ultrapure water | Merck | Milli-Q Integral 3 | |
| Ultrasonic bath | AS ONE | ASU-2 | Power: 40 W |
| Ultrasonic soldering | KURODA TECHNO | SUNBONDER USM-IV | |
| UV lamp | AS ONE | SLUV-4 | Power: 4 W |
References
- Chandrasekhar, S. . Liquid Crystals. , (1992).
- Blinov, L. M., Chigrinov, V. G. . Electrooptic Effects in Liquid Crystal Materials. , (1994).
- Pieraccini, S., Masiero, S., Ferrarini, A., Spada, G. P. Chirality transfer across length-scales in nematic liquid crystals: fundamentals and applications. Chemical Society Reviews. 40 (1), 258-271 (2011).
- Eelkama, R., Feringa, B. L. Amplification of chirality in liquid crystals. Organic & Biomolecular Chemistry. 4 (20), 3729-3745 (2006).
- Wang, L., Li, Q. Stimuli-Directing self-organized 3D liquid-crystalline nanostructures: from materials design to photonic applications. Advanced Functional Materials. 26 (1), 10-28 (2016).
- Bisoyi, H. K., Li, Q. Light-directing chiral liquid crystal nanostructures: from 1D to 3D. Accounts of Chemical Research. 47 (10), 3184-3195 (2014).
- van Delden, R. A., Koumura, N., Harada, N., Feringa, B. L. Unidirectional rotary motion in a liquid crystalline environment: color tuning by a molecular motor. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 99 (8), 4945-4949 (2002).
- Mathews, M., Tamaoki, N. Planar chiral azobenzenophanes as chiroptic switches for photon mode reversible reflection color control in induced chiral nematic liquid crystals. Journal of the American Chemical Society. 130 (34), 11409-11416 (2008).
- Huang, Y., Zhou, Y., Doyle, C., Wu, S. -. T. Tuning the photonic band gap in cholesteric liquid crystals by temperature-dependent dopant solubility. Optics Express. 14 (3), 1236-1242 (2006).
- Hu, W., et al. Magnetite nanoparticles/chiral nematic liquid crystal composites with magnetically addressable and magnetically erasable characteristics. Liquid Crystals. 37 (5), 563-569 (2010).
- Han, Y., Pacheco, K., Bastiaansen, C. W. M., Broer, D. J., Sijbesma, R. P. Optical monitoring of gases with cholesteric liquid crystals. Journal of the American Chemical Society. 132 (9), 2961-2967 (2010).
- Kelly, J. A., et al. Responsive photonic hydrogels based on nanocrystalline cellulose. Angewandte Chemie International Edition. 52 (34), 8912-8916 (2013).
- Coles, H., Morris, S. Liquid-crystal lasers. Nature Photonics. 4 (10), 676-685 (2010).
- Xiang, J., et al. Electrically tunable laser based on oblique heliconical cholesteric liquid crystal. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 113 (46), 12925-12928 (2016).
- Song, M. H., et al. Effect of phase retardation on defect-mode lasing in polymeric cholesteric liquid crystals. Advanced Materials. 16 (9-10), 779-783 (2004).
- White, T. J., McConney, M. E., Bunning, T. J. Dynamic color in stimuli-responsive cholesteric liquid crystals. Journal of Materials Chemistry. 20 (44), 9832-9847 (2010).
- Bisoyi, H. K., Bunning, T. J., Li, Q. Stimuli-driven control of the helical axis of self-organized soft helical superstructures. Advanced Materials. 30 (25), 1706512 (2018).
- Bisoyi, H. K., Li, Q. Light-driven liquid crystalline materials: from photo-induced phase transitions and property modulations to applications. Chemical Reviews. 116 (26), 15089-15166 (2016).
- Tokunaga, S., Itoh, Y., Tanaka, H., Araoka, F., Aida, T. Redox-responsive chiral dopant for quick electrochemical color modulation of cholesteric liquid crystal. Journal of the American Chemical Society. 140 (35), 10946-10949 (2018).
- Step̌nicǩa, P. . Ferrocenes: Ligands, Materials and Biomolecules. , (2008).
- Togni, A., Hayashi, T. . Ferrocenes: Homogeneous Catalysis, Organic Synthesis, Materials Science. , (1995).
- Fukino, T., Yamagishi, H., Aida, T. Redox-responsive molecular systems and materials. Advanced Materials. 29 (25), 1603888 (2017).
- Goh, M., Akagi, K. Powerful helicity inducers: axially chiral binaphthyl derivatives. Liquid Crystals. 35 (8), 953-965 (2008).
- Xianyu, H., Faris, S., Crawford, G. P. In-plane switching of cholesteric liquid crystals for visible and near-infrared applications. Applied Optics. 43 (26), 5006-5015 (2004).
- Lin, T. H., et al. Electrically controllable laser based on cholesteric liquid crystal with negative dielectric anisotropy. Applied Physics Letters. 88 (6), 061122 (2006).
- Bailey, C. A., et al. Surface limitations to the electro-mechanical tuning range of negative dielectric anisotropy cholesteric liquid crystals. Journal of Applied Physics. 111 (6), 063111 (2012).
- Bailey, C. A., et al. Electromechanical tuning of cholesteric liquid crystals. Journal of Applied Physics. 107 (1), 013105 (2010).
- Xiang, J., et al. Electrically tunable selective reflection of light from ultraviolet to visible and infrared by heliconical cholesterics. Advanced Materials. 27 (19), 3014-3018 (2015).
- Hu, W., et al. Electrically controllable selective reflection of chiral nematic liquid crystal/chiral ionic liquid composites. Advanced Materials. 22 (4), 468-472 (2010).
- Choi, S. S., Morris, S. M. M., Huck, W. T. S., Coles, H. J. Electrically tuneable liquid crystal photonic bandgaps. Advanced Materials. 21 (38-39), 3915-3918 (2009).
- Tokunaga, S., et al. Electrophoretic deposition for cholesteric liquid-crystalline devices with memory and modulation of reflection colors. Advanced Materials. 28 (21), 4077-4083 (2016).
- Sen, M. S., Brahma, P., Roy, S. K., Mukherjee, D. K., Roy, S. B. Birefringence and order parameter of some alkyl and alkoxycyanobiphenyl liquid crystals. Molecular Crystrals and Liquid Crystals. 100 (3-4), 327-340 (1983).
- McConney, M. E., et al. Electrically induced color changes in polymer-stabilized cholesteric liquid crystals. Advanced Optical Materials. 1 (6), 417-421 (2013).
- Choi, S. S., Morris, S. M., Huck, W. T. S., Coles, H. J. The switching properties of chiral nematic liquid crystals using electrically commanded surfaces. Soft Matter. 5 (2), 354-362 (2009).
- Sapp, S., Luebben, S., Losovyj, Y. B., Jeppson, P., Schulz, D. L., Caruso, A. N. Work function and implications of doped poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-co-poly(ethylene glycol). Applied Physics Letters. 88 (15), 152107 (2006).
- Groenendaal, L., Jonas, F., Freitag, D., Pielartzik, H., Reynolds, J. R. Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) and its derivatives: past, present, and future. Advanced Materials. 12 (7), 481-494 (2000).
- Kirchmeyer, S., Reuter, K. Scientific importance, properties and growing applications of poly(3,4-ethylenedioxythiophene). Journal of Materials Chemistry. 15 (21), 2077-2088 (2005).
