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

En elektrokemisk Cholesteric flytande kristallin anordning för snabb och låg spänning färg 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

Ett protokoll för tillverkning av en reflekterande cholesteric flytande kristallin display-enhet som innehåller en redox-lyhörd kirala dopämne möjliggör snabb och låg spänning drift presenteras.

Abstract

Vi visar en metod för att tillverka en prototyp reflekterande visningsenhet som innehåller cholesteric flytande kristaller (LC) som en aktiv komponent. Cholesteric LC består av en nematic LC 4′-pentyloxy-4-cyanobiphenyl (5OCB), redox-lyhörd kirala dopämne (FcD) och en stödjande elektrolyt 1-etyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonate (singlemaltsthlm-OTf). Den viktigaste komponenten är FcD. Denna molekyl ändras dess spiralformade vridande kraft (HTP) värde i svar på redoxreaktioner. Därför tillåta jordbaserad elektrokemiska redoxreaktioner i LC blandningen för enheten att ändra dess speglar färg som svar på elektriska stimuli. LC blandningen introducerades, en capillary handling i en sandwich-typ ITO glas cell bestående av två glasskivor med mönstrade indium tinoxiden (ITO) elektroder, varav den ena var belagda med poly(3,4-ethylenedioxythiophene) –co-poly (etylen glykol) dopade med perklorat (PEDOT+). Vid ansökan av 1,5 V, speglar färgen på enheten ändras från blå (467 nm) till grön (485 nm) i 0,4 s. efterföljande ansökan av 0 V in enheten återställa den ursprungliga blå färgen i 2.7 s. Denna enhet kännetecknas av sitt snabbaste elektriska svar och lägst spänning bland någon tidigare rapporterats cholesteric LC enhet. Denna enhet skulle kunna bana väg för utvecklingen av nästa generation reflekterande skärmar med låg energi förbrukning.

Introduction

Cholesteric flytande kristaller (LCs) är kända för att uppvisa ljusa speglar färger på grund av deras interna spiralformade molekylär arrangemang1,2,3,4. Den speglar våglängd λ bestäms av spiralformade planen P och genomsnittliga refraktiva index n LC (λ = nP). Sådan LCs kan genereras av dopning kirala föreningar (kiral dopants) till nematic LCs och dess spiralformade pitch definieras av ekvationen P = 1/βMC, där βM är spiralformade vridande kraften (HTP) och C är molar bråkdel av den kirala dopanten. Baserat på detta begrepp, olika kiral dopants som kan reagera på olika stimuli som ljus5,6,7,8, värme9, magnetiska fält10och gas11 har utvecklats. Sådana egenskaper är potentiellt användbara för olika applikationer såsom sensorer12 och lasrar13,14,15 bland annat16,17,18 .

Nyligen har utvecklat vi den första redox-lyhörd kirala dopämne FcD (figur 1A)19 som kan ändra dess HTP värde i svar på redoxreaktioner. FC D består av en Ferrocen enhet, som kan genomgå reversibel redox reaktioner20,21,22, och en binaphthyl enhet, som är kända för att uppvisa hög HTP värde23. Cholesteric LC dopade med FcD, i närvaro av en stödjande elektrolyt, kan ändra dess speglar färg inom 0,4 s och återställa dess ursprungliga färg i 2,7 s begäran spänning + 1,5 och 0 V, respektive. Den hög reaktionshastighet och låg driftspänning observerats för enheten saknar motstycke bland alla andra cholesteric LC-enheten hittills rapporteras.

En av de viktiga tillämpningarna av cholesteric LCs är i reflekterande skärmar, vars energikonsumtion är mycket lägre än de konventionella LC-displayerna. För detta ändamål bör cholesteric LCs ändra dess speglar färg med elektriska stimuli. Men använda de flesta av metoderna som tidigare en elektrisk koppling mellan de tillämpade elektriska stimuli och värd LC molekylerna, vilket kräver hög spänning över 40 V24,25,26,27 ,28. För användning av den elektriskt lyhörd kirala dopämne finns det endast några exempel29,30 inklusive vårt tidigare arbete31, som också kräver hög spänning med låg responstid. Med tanke på dessa tidigare verk, utförandet av våra FcD-dopade cholesteric LC enhet, särskilt för snabb färg modulering hastigheten (0,4 s) och låg driftspänning (1,5 V), är en banbrytande prestation som kan kraftigt bidra till utvecklingen av nästa generation reflekterande skärmar. I denna detaljerade protokoll visar vi fabrication processerna och de operativa procedurerna som prototyp cholesteric LC display enheter.

Protocol

1. beredning av cholesteric LC blandningen Tillsätt 84,6 mg 5OCB och 5.922 mg FcD19 (3,1 mol % till 5OCB) i en ren 10 mL injektionsflaska av glas. Lägg till 12,9 mg singlemaltsthlm-OTf och 10 mL diklormetan (CH2Cl2) in i en ny ren 10 mL injektionsflaska av glas och blanda väl. Överföra 2,1 mL singlemaltsthlm-OTf lösning in i 5OCB- och FcD-med glasflaska. Skaka försiktigt injek…

Representative Results

Fotografier, transmittans spectra och tid beroende transmittans ändra profiler på 510 nm samlas för LC-enheten som innehåller FcD-dopade (3,1 mol %) cholesteric LC i närvaro av singlemaltsthlm-OTf (3,0 mol %) under spänning ansökan cyklerna mellan 0 och + 1,5 V vid 37 ° C. LC blandningen som innehåller FcD (3,1 mo…

Discussion

Vid ansökan av 1,5 V till toppen ITO elektrod (figur 1C) genomgår FcD en oxidationsreaktionen för att generera FcD+. Spiralformade vridande kraften i FcD+ (101 µm-1, figur 1B) är lägre än för <em…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Vi tackar Dr. Keisuke Tajima från RIKEN Center för framväxande fråga vetenskap för värdefulla diskussioner. En del av detta arbete genomfördes vid avancerad karakterisering nanoteknik plattformen av University of Tokyo, stöds av undervisningsministeriet, kultur, sport, vetenskap och teknik (MEXT), Japan. Detta arbete stöddes ekonomiskt av en JSPS bidrag för vetenskaplig forskning (S) (18H 05260) på ”innovativa funktionella material baserat på flerskalig gränsskiktspänning molekylär vetenskap” för T.A. Y.I. är tacksam för en JSPS bidrag för utmanande Grundforskning (16K 14062). S.T. tack JSPS ung vetenskapsman gemenskap.

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/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