त्वरित और कम वोल्टेज रंग मॉडुलन के लिए एक इलेक्ट्रोकेमिकल कोलेस्टेरिक तरल क्रिस्टलीय डिवाइस
Summary
एक परावर्तक कोलेस्टेरिक तरल क्रिस्टलीय प्रदर्शन डिवाइस के निर्माण के लिए एक प्रोटोकॉल जिसमें एक रेडॉक्स-उत्तरदायी चिरल डोपंत त्वरित और कम वोल्टेज आपरेशन की अनुमति देता है प्रस्तुत किया गया है ।
Abstract
हम एक प्रोटोटाइप परावर्तक प्रदर्शन युक्ति है कि एक सक्रिय घटक के रूप में cholesteric तरल क्रिस्टल (LC) शामिल fabricating के लिए एक विधि का प्रदर्शन । कोलेस्टेरिक एलसी एक नेमैटिक एलसी 4 ‘-पेंटिलॉक्सी-4-साइनोबिफेनिल (5ocb) से बना है, redox-उत्तरदायी चिरल डोपंत (एफसीडी), और एक समर्थन इलेक्ट्रोलाइट 1-एथिल-3-मिथालिमिमिडजोलियम trifluoromethanesulfonate (emim-otf) । सबसे महत्वपूर्ण घटक एफसीडीहै । इस अणु रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं के जवाब में अपनी कुंडलिनी घुमा शक्ति (htp) मूल्य बदलता है । इसलिए, स्वस्थानी में इलेक्ट्रोकेमिकल रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं में नियंत्रण रेखा मिश्रण डिवाइस के लिए विद्युत उत्तेजकता के जवाब में अपने प्रतिबिंब रंग बदलने के लिए अनुमति देते हैं । LC मिश्रण एक केशिका कार्रवाई द्वारा शुरू किया गया था, एक सैंडविच प्रकार इतो ग्लास सेल में नमूनों इंडियम टिन ऑक्साइड (आईटीओ) इलेक्ट्रोड के साथ दो गिलास स्लाइड शामिल, जिनमें से एक पाली के साथ लेपित किया गया था (3, 4-एथिलीन)-सह-पाली (ethylene ग्लाइकोल) को परक्लोरेट (पीडॉट+) के साथ मैगनेट किया जाता है । + १.५ V के आवेदन पर, डिवाइस का प्रतिबिंब रंग नीले (४६७ एनएम) से हरे (४८५ एनएम) में बदल ०.४ s. 0 वी के बाद के आवेदन में डिवाइस मूल नीले रंग की वसूली में बनाया २.७ एस । इस डिवाइस को अपनी सबसे तेजी से बिजली की प्रतिक्रिया और किसी भी पहले की रिपोर्ट cholesteric LC डिवाइस के बीच सबसे कम ऑपरेटिंग वोल्टेज की विशेषता है । यह डिवाइस कम ऊर्जा खपत दरों के साथ अगली पीढ़ी चिंतनशील प्रदर्शित करता है के विकास के लिए रास्ता प्रशस्त सकता है ।
Introduction
कोलेस्टेरिक लिक्विड क्रिस्टल (एलसीएस) अपने आंतरिक कुंडलिनी आणविक व्यवस्थाओं के कारण उज्ज्वल प्रतिबिंब रंगों को प्रदर्शित करने के लिए जाने जाते हैं1,2,3,4. प्रतिबिंब तरंगदैर्घ्य λ का निर्धारण पेचीय पिच प द्वारा तथा नियंत्रण रेखा के औसत अपवर्तनांक द (λ = nP) से होता है । इस तरह के एलसी को नेमैटिक एलसीएस के लिए चिराल यौगिकों (चिराल डोपेंट) को डोपिंग द्वारा उत्पन्न किया जा सकता है और इसकी कुंडलिनी पिच को समीकरण P = 1/βउगद्वारा परिभाषित की जाती है, जहां βm पेचदार ट्विस्टिंग पॉवर (htp) है और C मोलर है चिरल डोपंत का अंश । इस धारणा के आधार पर, विभिन्न चिरल dopants कि इस तरह के प्रकाश के रूप में उत्तेजकों की एक किस्म का जवाब कर सकते हैं5,6,7,8, गर्मी9, चुंबकीय क्षेत्र10, और गैस11 विकसित किया गया है । इस तरह के गुण विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए संभावित रूप से उपयोगी होते हैं जैसे सेंसर12 और लेसरों13,14,15 अन्य लोगों के बीच16,17,18 .
हाल ही में, हम पहले रेडॉक्स उत्तरदायी चिरल डोपंत एफसीडी (चित्रा 1ए)19 कि रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं के जवाब में अपने htp मूल्य बदल सकते हैं विकसित की है । Fc D एक ferrocene इकाई से बना है, जो प्रतिवर्ती रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं से गुजरना कर सकते हैं20,21,22, और एक binaphthyl इकाई, जो उच्च htp मान प्रदर्शित करने के लिए जाना जाता है23. कोलेस्टेरिक LC, एफसीडीके साथ मैगनीज एक समर्थन इलेक्ट्रोलाइट की उपस्थिति में, ०.४ s के भीतर अपने प्रतिबिंब रंग बदल सकते हैं और २.७ एस में अपने मूल रंग + १.५ और 0 V के वोल्टेज आवेदन पर ठीक हो, क्रमशः. उच्च प्रतिक्रिया गति और कम ऑपरेटिंग वोल्टेज के लिए देखा डिवाइस किसी भी अन्य cholesteric LC डिवाइस के बीच अभूतपूर्व है अब तक की सूचना दी.
कोलेस्टेरिक एलसी के महत्वपूर्ण अनुप्रयोगों में से एक चिंतनशील प्रदर्शित करता है, जिसका ऊर्जा उपभोग की दर पारंपरिक LC प्रदर्शित करता है की तुलना में बहुत कम है में है । इस प्रयोजन के लिए, cholesteric lcs विद्युत उत्तेजकता के साथ अपने प्रतिबिंब रंग बदलना चाहिए. हालांकि, पिछले तरीके के अधिकांश लागू विद्युत उत्तेजकता और मेजबान नियंत्रण रेखा के अणुओं के बीच एक विद्युत युग्मन का उपयोग, जो उच्च वोल्टेज की आवश्यकता है ४० V24,25,26,27 ,28. विद्युत उत्तरदायी चिरल डोपंत के उपयोग के लिए, केवल कुछ उदाहरण हैं29,हमारे पिछले31काम सहित30 , जो भी कम प्रतिक्रिया की गति के साथ उच्च वोल्टेज की आवश्यकता है. इन पिछले काम करता है, विशेष रूप से तेजी से रंग मॉडुलन गति (०.४ एस) और कम ऑपरेटिंग वोल्टेज (१.५ वी) के लिए हमारे एफसीडी-doped cholesteric नियंत्रण रेखा डिवाइस के प्रदर्शन को ध्यान में रखते हुए, एक अभूतपूर्व उपलब्धि है कि बहुत कर सकते है अगली पीढ़ी के विकास के लिए योगदान चिंतनशील प्रदर्शित करता है । इस विस्तृत प्रोटोकॉल में, हम निर्माण प्रक्रियाओं और प्रोटोटाइप cholesteric LC प्रदर्शन उपकरणों के संचालन प्रक्रियाओं का प्रदर्शन.
Protocol
Representative Results
Discussion
+ १.५ V के आवेदन पर शीर्ष इटो इलेक्ट्रोड (चित्रा 1सी), एफसी डी एफसीडी+उत्पन्न करने के लिए एक ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया से गुजरती है. ए?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
हम बहुमूल्य चर्चाओं के लिए आकस्मिक मैटर विज्ञान के लिए रिकेन सेंटर से डॉ केइस्के ताजिमा का शुक्रिया अदा करते हैं । इस काम का एक हिस्सा, शिक्षा, संस्कृति, खेल, विज्ञान और प्रौद्योगिकी (mext), जापान के मंत्रालय द्वारा समर्थित टोक्यो विश्वविद्यालय के उन्नत लक्षण वर्णन नैनो प्रौद्योगिकी मंच पर आयोजित किया गया था । यह काम आर्थिक रूप से एक jsps अनुदान द्वारा समर्थित वैज्ञानिक अनुसंधान के लिए सहायता (S) (18h05260) पर “अभिनव कार्यात्मक बहु पैमाने पर interfacial आणविक विज्ञान के आधार पर सामग्री” T.A. y.i. के लिए एक jsps अनुदान के लिए आभारी है सहायता के लिए चुनौतीपूर्ण अन्वेषणात्मक अनुसंधान (16k14062) । पंचमहाल धन्यवाद jsps युवा वैज्ञानिक फैलोशिप ।
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).
