JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Chemistry

En elektrokjemisk Cholesteric flytende krystallinsk enhet for rask og lav spenning modulering

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 protokoll for fabrikasjon av en reflekterende cholesteric flytende krystallinsk skjerm enhet inneholder en redoks-responsive chiral dopant tillater rask og lavspent drift er presentert.

Abstract

Vi viser en metode for å fabrikere en prototype reflekterende skjermenhet som inneholder cholesteric krystall (Langbane) som en aktiv komponent. Cholesteric LC består av en nematic LC 4′-pentyloxy-4-cyanobiphenyl (5OCB), redoks-responsive chiral dopant (FcD) og en støttende elektrolytt 1-etyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonate (EMIm-OTf). Den viktigste komponenten er FcD. Dette molekylet endrer spiralformede kronglete makt (HTP) verdien svar redoksreaksjoner. Derfor tillate i situ elektrokjemiske redoksreaksjoner i LC blandingen enheten å endre sin refleksjon i respons på elektrisk stimuli. LC blandingen ble innført, kapillære handling, i en sandwich-type ITO glass celle består av to glass lysbilder med mønstret indium tinn oksid (ITO) elektroder, hvorav var belagt med poly(3,4-ethylenedioxythiophene) –co-poly (etylen glykol) dopet med enheter (PEDOT+). Ved anvendelse av +1.5 V, refleksjon fargen på enheten endret fra blå (467 nm) til grønt (485 nm) i 0,4 s. etterfølgende søknad 0 V gjort enheten gjenopprette den opprinnelige blå fargen i 2.7 s. Denne enheten er preget av sin raskeste elektriske reaksjon og laveste driftsspenningen mellom tidligere rapportert cholesteric LC-enheten. Denne enheten kan bane vei for utvikling av neste generasjons reflekterende skjermer med lav energi forbruk priser.

Introduction

Cholesteric flytende krystaller (LCs) er kjent for å lyse refleksjon farger på grunn av deres interne spiralformede molekylær arrangementer1,2,3,4. Refleksjon bølgelengde λ bestemmes av spiralformede banen P og gjennomsnittlig refraktiv indeks n av LC (λ = nP). Slike LCs kan genereres av chiral forbindelser (chiral dopants) å nematic LCs og tonehøyden spiralformede er definert ved ligningen P = 1/βMC, der βM er spiralformede kronglete makt (HTP) og C er molar brøkdel av det chiral dopant. Basert på dette begrepet, ulike chiral dopants som kan svare på en rekke ulike stimuli som lys5,6,7,8, varme9, magnetfelt10og gassen11 er utviklet. Slike egenskaper er potensielt nyttig for ulike applikasjoner som sensorer12 og lasere13,14,15 blant andre16,17,18 .

Nylig har utviklet vi den første redoks-responsive chiral dopant FcD (figur 1A)19 som kan endre HTP verdien svar redoksreaksjoner. FC D består av en ferrocene enhet, som kan gjennomgå reversibel Redoks reaksjoner20,21,22, og en binaphthyl enhet, som er kjent for å ha høy HTP verdien23. Cholesteric LC dopet med FcD, i nærvær av en støtte elektrolytt, kan endre refleksjon fargen 0,4 s og gjenopprette sin opprinnelige farge i 2.7 s etter spenning søknad av +1.5 og 0 V, henholdsvis. Høy respons hastighet og lav driftsspenningen observert enheten er enestående blant andre cholesteric LC enheter så langt rapportert.

En av de viktige programmene cholesteric LCS er i reflekterende skjermer, som energiforbruk er mye lavere enn de konvensjonelle LC. For dette formålet, bør cholesteric LCs endre refleksjon farge med elektrisk stimuli. Men benytter de fleste av de tidligere metodikkene en elektrisk kopling mellom anvendt elektrisk stimuli og vertskap LC molekyler, som krever høy spenning over 40 V24,25,26,27 ,28. For bruk av elektrisk forståelsesfull chiral dopant er det bare noen eksempler29,30 inkludert våre tidligere arbeid31, som krever også høy spenning med lite respons hastighet. Vurderer disse tidligere verker ytelsen til våre FcD-dopet cholesteric LC-enheten, spesielt for rask farge modulering hastigheten (0,4 s) og lav driftsspenningen (1,5 V), er en banebrytende prestasjon som kan bidra til utvikling av neste generasjons reflekterende viser. Denne detaljerte protokollen viser vi metallbearbeiding prosesser og operasjonsprosedyrer til skjermenheter for prototype cholesteric LC.

Protocol

1. forberedelse av cholesteric LC blandingen Legge til 84.6 mg av 5OCB og 5.922 mg FcD19 (3.1 mol % til 5OCB) i en ren 10 mL hetteglass. Sammenlegge 12.9 mg av EMIm-OTf og 10 mL diklormetan (CH2Cl2) i en ny ren 10 mL hetteglass og bland godt. Overføre 2.1 mL av EMIm-OTf løsningen i 5OCB- og FcD-inneholder hetteglass. Forsiktig risting ampullen for å la alle komponentene bland godt…

Representative Results

Fotografier og transmisjon spectra tid avhengig transmisjon endre profil på 510 nm samles for LC enheten som inneholder FcD-dopet (3.1 mol %) cholesteric LC i nærvær av EMIm-OTf (3.0 mol %) under spenning programmet veksler mellom 0 og +1.5 V på 37 ° C. LC blandingen inneholder FcD (3.1 mol %), EMIm-OTf (3.0 mol %) og…

Discussion

Ved anvendelse av +1.5 V til toppen ITO elektrode (figur 1C) gjennomgår FcD en oksidasjon reaksjon for å generere FcD+. Spiralformede kronglete makt FcD+ (101 µm-1, figur 1B) er lavere enn <strong…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Vi takker Dr. Keisuke Tajima fra RIKEN senter for Emergent saken Science for verdifulle diskusjoner. En del av dette arbeidet ble utført på Avansert karakterisering nanoteknologi plattformen ved University of Tokyo, støttet av Kunnskapsdepartementet, kultur, sport, vitenskap og teknologi (MEXT), Japan. Dette arbeidet ble økonomisk støttet av et JSP Grant-in-Aid for vitenskapelig forskning (S) (18H 05260) på “Nyskapende funksjonelle materialer basert på multi-skala Interfacial molekylær Science” for år Y.I. er takknemlig for en JSP-Grant-in-Aid for utfordrende Utforskende forskning (16K 14062). St Takk JSP unge vitenskapsmannen fellesskap.

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

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