Un dispositivo cristallino liquido colesterico elettrochimico per la modulazione di colori veloce e bassa tensione
Summary
Un protocollo per la realizzazione di un dispositivo di riflettente colesterico liquido cristallino display contenente un redox-sensibile drogante chirali che permette un funzionamento rapido e bassa tensione è presentato.
Abstract
Dimostriamo un metodo per la realizzazione di un prototipo di dispositivo di visualizzazione a riflessione che contiene colesterico a cristalli liquidi (LC) come un componente attivo. La LC colesterico è composto di un nematico LC 4′-pentyloxy-4-cyanobiphenyl (5OCB), drogante chirali redox-sensibile (FcD) e un 1-etil-3-methylimidazolium triflato di giustificativi dell’elettrolito (EMIm-OTf). La componente più importante è FcD. Questa molecola modifica il valore di potenza (HTP) torsione elicoidale in risposta alle reazioni redox. Pertanto, reazioni di ossidoriduzione elettrochimica in situ nella miscela LC consentono al dispositivo di cambiare il suo colore di riflessione in risposta a stimoli elettrici. La miscela di LC è stato introdotto, da un’azione capillare, in un sandwich-tipo ITO vetro cellulare composto da due lastre di vetro con elettrodi di fantasia Indio ossido di stagno (ITO), uno dei quali è stato rivestito con poly(3,4-ethylenedioxythiophene) –co-poli (etilene glicole) drogato con perclorato (PEDOT+). Nell’applicazione di + 1.5 V, il colore di riflessione del dispositivo modificato da blu (467 nm) al verde (485 nm) a 0,4 s. successivi applicazione 0 V fatto il dispositivo recuperare l’originale colore blu in 2.7 s. Questo dispositivo è caratterizzato dalla sua risposta elettrica più veloce e più bassa tensione tra qualsiasi precedentemente segnalati colesterico dispositivo di LC. Questo dispositivo potrebbe spianare la strada per lo sviluppo di display riflettenti di prossima generazione con tassi di consumo di energia basso.
Introduction
Colesterico cristalli liquidi (LCs) sono noti per presentano colori riflesso luminoso a causa del loro regime molecolare elicoidale interno1,2,3,4. La riflessione di lunghezza d’onda λ è determinato dal passo dell’elica P e la media rifrazione indice n della LC (λ = nP). Tali LCs può essere generato dal doping chirali composti (chirali droganti) a nematic LCs e il passo dell’elica è definita dall’equazione P = 1/βMC, dove βM è la potenza di torsione elicoidale (HTP) e C è il molare frazione del drogante chirali. Basata su questa idea, vari dopanti chirali che può rispondere a una varietà di stimoli, quali luce5,6,7,8, calore9, campo magnetico10e gas11 è stato sviluppato. Tali proprietà sono potenzialmente utili per varie applicazioni come sensori laser e12 13,14,15 tra altri16,17,18 .
Recentemente, abbiamo sviluppato il primo drogante di redox-sensibile chirali FcD (Figura 1A)19 che può cambiare il suo valore HTP in risposta alle reazioni redox. FC D è composto da un’unità di ferrocene, che può subire reazioni di redox reversibile20,21,22e una binaphthyl, che è noto che presentano alta HTP valore23. La LC colesterico drogata con FcD, in presenza di un elettrolita di supporto, può cambiare il suo colore di riflessione all’interno di 0,4 s e recupera il suo originale colore in 2.7 s su applicazione di tensione di + 1.5 e 0 V, rispettivamente. L’elevata velocità di risposta e la bassa tensione di funzionamento osservato per il dispositivo è senza precedenti tra qualsiasi altro dispositivo LC colesterico finora segnalato.
Una delle applicazioni importanti di colesterico LCs è in display riflettenti, il cui tasso di consumo di energia è molto inferiore rispetto le tradizionali display LC. Per questo scopo, LCs colesterico dovrebbe cambiare il suo colore di riflessione con stimoli elettrici. Tuttavia, la maggior parte delle metodologie precedenti utilizzano un elettrico accoppiamento tra gli stimoli elettrici applicati e le molecole di LC di host, che necessitano di alta tensione oltre 40 V24,25,26,27 ,28. Per l’uso del drogante chirali elettricamente reattivo, ci sono solo pochi esempi29,30 compreso il nostro precedente lavoro31, che richiede anche ad alta tensione con velocità bassa risposta. Considerando questi lavori precedenti, le prestazioni del nostro FcD-drogati colesterico dispositivo di LC, soprattutto per la velocità di modulazione di colore veloce (0,4 s) e bassa tensione di funzionamento (1,5 V), è un evento rivoluzionario che può notevolmente contribuire allo sviluppo di display riflettenti di prossima generazione. In questo protocollo dettagliato, dimostriamo che i processi di fabbricazione e le procedure operative i prototipo colesterico LC dei dispositivi di visualizzazione.
Protocol
Representative Results
Discussion
Su richiesta di + 1.5 V verso l’alto elettrodo ITO (Figura 1,C), FcD subisce una reazione di ossidazione per generare FcD+. Come la forza di torsione elicoidale del FcD+ (101 µm-1, Figura 1B) è inferio…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ringraziamo il dottor Keisuke Tajima da RIKEN Center per emergente scienza della materia per discussioni importanti. Una parte di questo lavoro è stato condotto presso la piattaforma avanzata nanotecnologia di caratterizzazione dell’Università di Tokyo, supportato dal Ministero della pubblica istruzione, cultura, sport, scienza e tecnologia (MEXT), Giappone. Questo lavoro è stato sostenuto finanziariamente da una sovvenzione di JSP per la ricerca scientifica (S) (18H 05260) su “Materiali innovativi funzionale basato su scienza molecolare interfaccia multiscala” per T.A. Y.I. è grato per una sovvenzione di JSP per sfidare Ricerca esplorativa (16K 14062). S.T. grazie al JSPS Young Scientist Fellowship.
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 |
Riferimenti
- 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).
