JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
자동 번역
화학

En elektrokemisk Cholesteric flydende krystallinske enhed for hurtig og simpel-spænding farve graduering

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

En protokol til fabrikation af en reflekterende cholesteric flydende krystallinske display enhed indeholder en redox-responderende chiral dopant så hurtig og lav spænding drift er præsenteret.

Abstract

Vi demonstrere en metode for at fabrikere en prototype reflekterende skærmenhed, der indeholder cholesteric flydende krystaller (LC) som en aktive komponent. Den cholesteric LC er sammensat af en nematisk LC 4′-pentyloxy-4-cyanobiphenyl (5OCB), redox-responderende chiral dopant (FcD) og en understøttende elektrolyt 1-ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonate (EMIm-OTf). Den vigtigste komponent er FcD. Dette molekyle ændrer sin spiralformet vride magt (HTP) værdi i svar på redox reaktioner. Derfor, på levestedet elektrokemiske redox reaktioner i LC blanding mulighed for enheden for at ændre dens refleksion farve i svar til elektriske stimuli. LC blandingen blev indført ved en kapillaritet i en sandwich-type ITO glas celle bestående af to glas dias med mønstrede indium tin oxid (ITO) elektroder, hvoraf den ene var belagt med poly(3,4-ethylenedioxythiophene) –co-poly (ethylen glykol) doteret med perchlorat (PEDOT+). På begæring af 1,5 V, ændre enheden refleksion farve fra blå (467 nm) til green (485 nm) i 0,4 s. efterfølgende indgives ansøgning af 0 V enheden Genskab den oprindelige blå farve i 2,7 s. Denne enhed er karakteriseret ved sin hurtigste elektriske svar og laveste driftsspænding blandt nogen tidligere rapporteret cholesteric LC enhed. Denne enhed kunne bane vejen for udvikling af næste generation reflekterende skærme med lavt energi forbrug satser.

Introduction

Cholesteric flydende krystaller (LCs) er kendt for at udstille lyse refleksion farver på grund af deres indre spiralformet molekylære ordninger1,2,3,4. Refleksion bølgelængde λ bestemmes af den heliske pitch Pedersen og den gennemsnitlige refraktive indeks Nielsen af Rembursen (λ = nP). Sådanne LCs kan genereres ved doping chiral forbindelser (chiral energiniveauerne) til nematisk LCs og dens spiralformet pitch er defineret ved ligning P = 1/βMC, hvor βM er den heliske vride magt (HTP) og C er molære brøkdel af den chiral dopant. Baseret på dette begreb, forskellige chiral energiniveauerne, der kan reagere på en lang række stimuli som lys5,6,7,8, varme9, magnetiske felt10og gas11 er blevet udviklet. Disse egenskaber er potentielt nyttige til forskellige applikationer såsom sensorer12 og lasere13,14,15 blandt andre16,17,18 .

For nylig har udviklet vi den første redox-responderende chiral dopant FcD (fig. 1A)19 der kan ændre dens HTP værdi i svar på redox reaktioner. FC D består af en ferrocene enhed, som kan gennemgå reversible redox reaktioner20,21,22, og en binaphthyl enhed, som er kendt for at udstille høj HTP værdi23. Cholesteric LC doteret med FcD, i overværelse af en understøttende elektrolyt, kan ændre dens refleksion farve inden for 0,4 s og genvinde sin oprindelige farve i 2,7 s efter spænding ansøgning + 1,5 og 0 V, henholdsvis. Høj reaktion hastighed og lav driftsspænding observeret for enheden er uden sidestykke blandt andre cholesteric LC enhed hidtil rapporteret.

En af de vigtige anvendelser af cholesteric LCs er i reflekterende skærme, hvis energi forbrugssats er meget lavere end de konventionelle LC-displays. Med henblik herpå bør cholesteric LCs ændre dens refleksion farve med elektriske stimuli. Men de fleste af de tidligere metoder udnytte en elektriske kobling mellem de anvendte elektriske stimuli og vært LC molekyler, som kræver høj spænding over 40 V24,25,26,27 ,28. For brugen af den elektrisk lydhør chiral dopant er der kun få eksempler på29,30 herunder vores tidligere arbejde31, som også kræver høj spænding med lav svar hastighed. I betragtning af disse tidligere værker, udførelsen af vores FcD-doteret cholesteric LC enhed, især for hurtig farve graduering hastighed (0,4 s) og lav driftsspænding (1,5 V), er en banebrydende resultat, der kan meget bidrage til udviklingen af næste generation reflekterende skærme. I denne detaljerede protokollen vise vi fabrication processerne og de operationelle procedurer for prototype cholesteric LC display enheder.

Protocol

1. forberedelse af cholesteric LC blandingen Tilføje 84.6 af 5OCB og 5.922 mg af FcD19 (3,1 mol % til 5OCB) ind i en ren 10 mL hætteglas. Tilføje 12.9 mg EMIm-OTf og 10 mL dichlormethan (CH2Cl2) ind i en ny ren 10 mL hætteglas og bland godt. Overføre 2,1 mL af EMIm OTf i 5OCB- og FcD-indeholdende hætteglasset. Ryst forsigtigt hætteglasset for at lade alle komponenterne, bland …

Representative Results

Fotografier, transmittans spectra og tid afhængige transmittans ændre profiler på 510 nm er indsamlet til LC-enhed der indeholder FcD-doteret (3,1 mol %) Cholesteric LC i nærværelse af EMIm-OTf (3,0 mol %) under spænding program cyklusser mellem 0 og 1,5 V ved 37 ° C. LC blanding indeholdende FcD (3,1 mol %), EMIm-O…

Discussion

Efter anmodning af 1,5 V til toppen ITO elektrode (figur 1C) gennemgår FcD en oxidation reaktion for at generere FcD+. Da FcD+ (101 µm-1, figur 1B) spiralformet vride magt er lavere end for <strong…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Vi takker Dr. Keisuke Tajima fra RIKEN Center for Emergent sagen videnskab for værdifulde drøftelser. En del af dette arbejde blev udført på avanceret karakterisering Nanotechnology Platform fra University of Tokyo, støttet af Ministeriet for uddannelse, kultur, sport, videnskab og teknologi (MEXT), Japan. Dette arbejde blev støttet økonomisk af en JSP’ER licensbetaling for videnskabelig forskning (S) (18H 05260) “Innovative funktionelle materialer baseret på multi-skala Interfacial Molekylær videnskab” for T.A. Y.I. er taknemmelig for en JSP’ER licensbetaling for udfordrende Sonderende forskning (16K 14062). St tak JSP’ER unge videnskabsmand 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
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

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