JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Risultati
Discussion
Divulgazioni
Acknowledgements
Materials
Riferimenti
Traduzione automatica
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Chimica

Электрохимический Холестерические жидкий кристаллический устройство для цвет быстро и низкого напряжения модуляции

Published: February 27, 2019
doi:
10.3791/59244
, , , ,
1Department of Chemistry and Biotechnology,The University of Tokyo, 2Department of Chemistry,Tsinghua University, 3RIKEN Center for Emergent Matter Science

Summary

Протокол для изготовления светоотражающая Холестерические жидкий кристаллический дисплей устройства, содержащей представления редокс отзывчивым хиральная примеси, позволяя быстро и низкого напряжения операции.

Abstract

Мы демонстрируем метод для изготовления прототип устройства Светоотражающий экран, содержащий Холестерические жидких кристаллов (LC) как активный компонент. Холестерические LC состоит из нематические LC 4′-pentyloxy-4-cyanobiphenyl (5OCB), редокс отзывчивым хиральная примеси (ФКD) и поддержки электролита 1-этил-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonate (EMIm-OTf). Наиболее важным компонентом является ФКD. Эта молекула меняет свое винтового скручивания значение мощности (ПВТ) в ответ на окислительно-восстановительных реакций. Таким образом на месте электрохимических окислительно-восстановительных реакций в LC смеси позволяют для устройства изменить цвет его отражение в ответ на электрические стимулы. LC смесь была введена, действием капилляров, в сэндвич тип ITO стекла ячейку включающей два стекла слайды с узорными Индий оксид олова (ITO) электродов, один из которых был покрыт poly(3,4-ethylenedioxythiophene) –co-поли (этилена гликоль) легированного перхлорат (PEDOT+). По заявлению 1,5 V, отражение цвет устройства изменилось от синего (467 Нм) зеленый (485 Нм) в 0,4 с. последующее применение 0 V сделал устройства восстановить оригинальный синий цвет в 2.7 s. Это устройство характеризуется его быстрых электрических ответ и низкие напряжения между любыми сообщалось ранее Холестерические устройство LC. Это устройство может проложить путь для разработки следующего поколения Светоотражающий дисплеев с низкой энергии потребления.

Introduction

Холестерические жидких кристаллов (LCs) известны проявить яркое отражение цвета из-за их внутренней винтовой молекулярных механизмов1,2,и3,4. Отражения волны λ определяется поле винтовой P и рефракционной средний индекс n LC (λ = nP). Такие LCs может быть порождена допинг хиральных соединений (хиральная активаторов) нематические LCs и его винтовой поле определяется уравнением P = 1/βMC, где βM — винтового скручивания сила (ПВТ) и C моляра фракция хиральная примеси. На основании этой концепции, различные хиральная активаторов, которые могут реагировать на различные раздражители, такие как свет5,6,7,8, тепла9, магнитное поле10и газа11 был разработан. Такие свойства потенциально полезны для различных приложений, таких как датчики12 лазеры13,,14и15 среди других16,17,18 .

Недавно мы разработали первый редокс отзывчивым хиральная примеси ФКD (рис. 1A)19 , можно изменить его значение ПВТ в ответ на окислительно-восстановительных реакций. ФК D состоит из ферроцена блок, который можно пройти Обратимые окислительно-восстановительные реакции20,21,22и binaphthyl блок, который как известно, проявляют высокий ПВТ значение23. Холестерические LC, легированного ФКD, при наличии поддержки электролит, можно изменить цвет его отражение в пределах 0,4 s и восстановить исходное цвета в 2.7 s при подаче напряжения 1,5 и 0 V, соответственно. Высокое быстродействие и низкого напряжения наблюдается для устройства беспрецедентной среди других Холестерические устройство LC пока сообщается.

Один из важных приложений Холестерические LCs находится в Светоотражающий дисплеев, чья скорость потребления энергии гораздо меньше, чем обычные ЖК-дисплеи. Для этой цели Холестерические LCs должна изменить его цвет отражения с электрические стимулы. Однако большинство предыдущих методологий использовать электрические соединения между прикладной электрические стимулы и принимающей LC молекул, который требует высокого напряжения свыше 40 V24,25,26,27 ,28. Для использования электрически реагировать хиральная примеси есть только несколько примеров29,30 включая наши предыдущие работы31, который также требует высокого напряжения с низкое быстродействие. Учитывая эти предыдущих работ, производительность нашего ФКD-легированных Холестерические устройство LC, особенно для быстрой цвета скорость модуляции (0,4 s) и низкое рабочее напряжение (1,5 В), является новаторским достижением, которое может значительно способствовать развитию следующего поколения Светоотражающий дисплеев. В этом подробный протокол мы демонстрируем процессы изготовления и оперативные процедуры прототип Холестерические LC дисплей устройства.

Protocol

1. Подготовка смеси Холестерические LC Добавление 84,6 мг 5OCB и 5.922 мг ФКD19 (3,1 моль % до 5OCB) во флакон 10 мл чистого стекла. Добавьте 12,9 мг EMIm-OTf и 10 мл Дихлорметан (CH2Cl2) в новой чистой 10мл флакон стекла и хорошо перемешайте. Перевод 2.1 мл раств?…

Representative Results

Фотографии, спектры пропускания и время зависимых пропускания изменить профили на 510 нм собираются для LC устройства, содержащие ФКD-легированный (3,1 мол %) Холестерические LC присутствии EMIm-OTf (3.0 мол %) во время циклов приложения напряжения ме?…

Discussion

По заявлению 1,5 V на вершину Ито электрода (рис. 1C), ФКD проходит реакции окисления для создания ФКD+. Как винтового скручивания сила ФКD+ (101 мкм-…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Мы благодарим д-р Кейсуке Tajima RIKEN центра возникающим вопросом науки за ценные обсуждения. Часть этой работы была проведена на платформе передовые нанотехнологии характеристика из Токийского университета, поддерживается Министерством образования, культуры, спорта, науки и техники (МПКСНТ), Япония. Эта работа была финансовой поддержке JSP-страниц за счет целевых субсидий для научных исследований (S) (18H 05260) на «Инновационные функциональные материалы на основе многомасштабной межфазного молекулярные науки» за т.а. ю.и. благодарен за JSP-страницы субсидий для сложной Исследования (16K 14062). S.T. Спасибо страниц JSP молодой ученый стипендий.

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

Riferimenti

  1. Chandrasekhar, S. . Liquid Crystals. , (1992).
  2. Blinov, L. M., Chigrinov, V. G. . Electrooptic Effects in Liquid Crystal Materials. , (1994).
  3. 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).
  4. Eelkama, R., Feringa, B. L. Amplification of chirality in liquid crystals. Organic & Biomolecular Chemistry. 4 (20), 3729-3745 (2006).
  5. 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).
  6. Bisoyi, H. K., Li, Q. Light-directing chiral liquid crystal nanostructures: from 1D to 3D. Accounts of Chemical Research. 47 (10), 3184-3195 (2014).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Kelly, J. A., et al. Responsive photonic hydrogels based on nanocrystalline cellulose. Angewandte Chemie International Edition. 52 (34), 8912-8916 (2013).
  13. Coles, H., Morris, S. Liquid-crystal lasers. Nature Photonics. 4 (10), 676-685 (2010).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. Step̌nicǩa, P. . Ferrocenes: Ligands, Materials and Biomolecules. , (2008).
  21. Togni, A., Hayashi, T. . Ferrocenes: Homogeneous Catalysis, Organic Synthesis, Materials Science. , (1995).
  22. Fukino, T., Yamagishi, H., Aida, T. Redox-responsive molecular systems and materials. Advanced Materials. 29 (25), 1603888 (2017).
  23. Goh, M., Akagi, K. Powerful helicity inducers: axially chiral binaphthyl derivatives. Liquid Crystals. 35 (8), 953-965 (2008).
  24. 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).
  25. Lin, T. H., et al. Electrically controllable laser based on cholesteric liquid crystal with negative dielectric anisotropy. Applied Physics Letters. 88 (6), 061122 (2006).
  26. 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).
  27. Bailey, C. A., et al. Electromechanical tuning of cholesteric liquid crystals. Journal of Applied Physics. 107 (1), 013105 (2010).
  28. 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).
  29. Hu, W., et al. Electrically controllable selective reflection of chiral nematic liquid crystal/chiral ionic liquid composites. Advanced Materials. 22 (4), 468-472 (2010).
  30. 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).
  31. 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).
  32. 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).
  33. McConney, M. E., et al. Electrically induced color changes in polymer-stabilized cholesteric liquid crystals. Advanced Optical Materials. 1 (6), 417-421 (2013).
  34. 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).
  35. 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).
  36. 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).
  37. Kirchmeyer, S., Reuter, K. Scientific importance, properties and growing applications of poly(3,4-ethylenedioxythiophene). Journal of Materials Chemistry. 15 (21), 2077-2088 (2005).

Tags

Keywords: Cholesteric Liquid CrystalsColor ModulationFcD Chiral DopantElectrochemical DeviceITO GlassPEDOTReflective Displays
check_url/it/59244?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citazione di questo articolo
Tokunaga, S., Zeng, M., Itoh, Y., Araoka, F., Aida, T. An Electrochemical Cholesteric Liquid Crystalline Device for Quick and Low-Voltage Color Modulation. J. Vis. Exp. (144), e59244, doi:10.3791/59244 (2019).
Scarica citazione
Ristampe e autorizzazioni

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image