JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
자동 번역
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
화학

Bir elektrokimyasal Kolesterik sıvı kristal aygıt için hızlı ve düşük voltajlı renk modülasyon

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

Bir Redoks duyarlı kiral dopant hızlı ve düşük voltaj işlemi izin sunulan içeren bir yansıtıcı Kolesterik sıvı kristal ekran cihaz imalat için bir protokol.

Abstract

Kolesterik sıvı kristal (LC) içeren bir prototip yansıtıcı görüntü aygıtı imalatı için bir yöntem etkin bir bileşeni olarak göstermektedir. Kolesterik LC bir nematik LC 4′-pentyloxy-4-cyanobiphenyl (5OCB), redoks duyarlı kiral dopant (FcD) ve destekleyici bir elektrolit 1-etil-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonate (EMIm-OTf) oluşur. FcDen önemli bileşenidir. Bu molekül sarmal büküm güç (HTP) değerini yanıt Redoks reaksiyonları olarak değiştirir. Bu nedenle, elektrik bizi canlı tutan onun yansıması rengini değiştirmek aygıtın yerinde elektrokimyasal Redoks reaksiyonları LC karışımı izin. LC karışımı, bir kılcal eylemle bunlardan biri poly(3,4-ethylenedioxythiophene) –coile kaplı iki cam slayt desenli indiyum kalay oksit (ITO) elektrotlar ile oluşan bir hücreye sandviç türü ITO cam tanıtıldı-Poli (etilen glikol) perklorat (PEDOT+) ile katkılı. +1.5 V başvuru üzerine, cihazın yansıma rengini değiştirmiş maviden (467 nm) yeşil (485 nm) 0.4 s. sonraki uygulama 0 V yapılan cihazın orijinal mavi renk 2,7 kurtarmak s. Bu cihaz onun en hızlı elektrikli yanıt tarafından karakterize ve herhangi arasında en düşük işletme gerilimi daha önce Kolesterik LC aygıt bildirdi. Bu cihaz bir sonraki nesil yansıtıcı görüntüler düşük enerji tüketimi oranları ile geliştirilmesi için önünü açabilir.

Introduction

Kolesterik sıvı kristaller (LCs) parlak yansıma renkleri nedeniyle kendi iç Helisel moleküler düzenlemeler1,2,3,4sergi bilinmektedir. Yansıma dalga boyu λ P ve ortalama refraktif indeks n Akkreditivin Helisel saha tarafından belirlenir (λ = nP). Böyle LCs kiral doping tarafından oluşturulabilir bileşikler (kiral dopants) nematik LCs için ve onun Helisel pitch denklemi P tarafından tanımlanan = 1/βMC, βM Helisel büküm güç (HTP) nerede ve C azı kiral dopant kısmını. Bu kavram, uyaranlara ışık5,6,7,8, ısı9, manyetik alan10ve gaz11 gibi çeşitli yanıt verebilir çeşitli kiral dopants temel geliştirilmiştir. Gibi özellikleri sensörler12 ve lazerler13,14,15 diğerleri arasında gibi çeşitli uygulamalar için potansiyel olarak yararlı16,17,18 .

Son zamanlarda, ilk Redoks duyarlı kiral dopant Redoks reaksiyonları cevaben HTP değerini değiştirebilirsiniz FcD (şekil 1A)19 geliştirdik. FC D tersinir Redoks reaksiyonları20,21,22geçirmek için bir ferrocene birimi ve yüksek HTP değeri23sergilemek için bilinen bir binaphthyl birimi oluşur. FcileD, destekleyici bir elektrolit huzurunda katkılı Kolesterik LC 0.4 s ve yeniden elde etmek onun orijinal renk 2.7 içinde içinde yansıma rengini değiştirebilirsiniz s +1.5 ve 0 V, gerilim başvurusu üzerine sırasıyla. Yüksek tepki hızı ve düşük işletme gerilimi aygıt için diğer Kolesterik LC cihaz arasında görülmemiş defa bildirilmektedir görülmektedir.

Kolesterik LCs önemli uygulamalardan biri olan enerji tüketim oranı çok daha geleneksel LC görüntüler düşüktür yansıtıcı görüntüler mevcuttur. Bu amaçla, Kolesterik LCs elektriksel uyaranlar ile onun yansıması renk değiştirir. Ancak, önceki metodolojileri çoğunun bir elektrik uygulamalı elektriksel uyaranlar ana bilgisayar LC molekülleri arasında yüksek gerilim gerektiren 40’tan fazla V24,25,26,27 coupling ve kullanmak ,28. Elektrikle duyarlı kiral dopant kullanımı için aynı zamanda düşük tepki hızı ile yüksek gerilim gerektiren bizim önceki iş31, dahil olmak üzere sadece birkaç örnekler29,30 vardır. Bu önceki işleri, bizim FcDperformansını göz önüne alındığında-katkılı Kolesterik LC aygıtın, özellikle hızlı renkli modülasyon hızı (0,4 s) ve düşük işletme gerilimi (1.5 V), büyük ölçüde olabilir çığır açan bir başarı Sonraki nesil yansıtıcı görüntüler gelişimine katkıda bulunmak. Bu ayrıntılı iletişim kuralında, imalat süreçleri ve çalışma usulleri, prototip Kolesterik LC görüntüleme aygıtlarına göstermektedir.

Protocol

1. Kolesterik LC karışımı hazırlanması 5OCB 84.6 mg ve 5.922 mg FcD19 (3.1 mol % 5OCB için) bir temiz 10 mL cam şişe ekleyin. 12.9 mg EMIm OTf ve diklorometan (CH2Cl2) 10 mL yeni temiz 10 mL cam şişe ekleyin ve iyice karıştırın. 2.1 mL EMIm OTf çözeltisi 5OCB – ve FcDtransfer-cam şişe içeren. Yavaşça karıştırın tüm bileşenleri bırak şişeyi sallayın.</l…

Representative Results

Fotoğraflar, geçirgenliği spectra ve zaman bağımlı geçirgenliği değiştirmek profilleri, 510 nm FcDiçeren LC aygıt için toplanan-katkılı (3.1 mol %) Kolesterik LC EMIm-OTf (3.0 mol %) huzurunda 0 ve +1.5 V 37 ° C’de arasındaki gerilim uygulama döngüsü sırasında FcD (3.1 mol %), EMIm-OTf (3.0 mol %) iç…

Discussion

+1.5 V ITO elektrot (şekil 1C) dön dilekçe üzerine FcD FcD+oluşturmak için bir oksidasyon reaksiyonu uğrar. FcD+ (101 µm-1, şekil 1B) Helisel büküm gücünü Fc…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

RIKEN Merkezi’nden Dr. Keisuke Tajima değerli tartışmalar için acil sorun bilim için teşekkür ediyoruz. Bu çalışmanın bir parçası gelişmiş karakterizasyonu nanoteknoloji platformu Tokyo Üniversitesi yapılmıştır, Milli Eğitim Bakanlığı, kültür, spor, bilim ve Teknoloji (MEXT) tarafından desteklenen, Japonya. T.A. Y.I. için zorlu bir JSP’ler Grant-in-Aid için minnettar olduğu için bu eser mali JSP’ler Grant-in-Aid tarafından bilimsel araştırma (S) (18 H 05260) için “Yenilikçi işlevsel malzemeler çok ölçek Interfacial moleküler bilime dayalı” desteklenmiştir Araştırmacı araştırma (16K 14062). Altyazılı JSP’ler genç bilim adamı bursu teşekkürler.

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

References

  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/kr/59244?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

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

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image