Een elektrochemische Cholesteric vloeibaar kristallijne apparaat voor snelle en Low-Voltage kleur modulatie
Summary
Een protocol voor de fabricage van een cholesteric vloeibaar kristallijne ontspiegelende apparaat met een redox-responsieve chirale dopering waardoor snel en laag-voltage werking wordt gepresenteerd.
Abstract
We tonen een methode voor het fabriceren van een prototype ontspiegelende apparaat dat cholesteric vloeibare kristallen (LC bevat) als een actieve component. De cholesteric LC is samengesteld uit een nematic LC 4′-pentyloxy-4-cyanobiphenyl (5OCB), redox-responsieve chirale dopering (FcD) en een ondersteunende elektrolyt 1-ethyl-3-methylimidazolium triflaat (Emieten-OTf). De belangrijkste component is FcD. Dit molecuul wijzigt zijn spiraalvormige kronkelende macht (HTP) waarde in reactie op redoxreacties. Daarom zou in situ elektrochemische redoxreacties in de LC-mengsel voor het apparaat om de kleur van de reflectie in reactie op elektrische stimuli. De LC-mengsel werd binnengebracht, door een capillaire werking, een sandwich-type ITO glas-cel bestaande uit twee glazen dia’s met gedessineerde indium tin oxide (ITO) elektroden, één daarvan was bedekt met poly(3,4-ethylenedioxythiophene) –co-poly (ethyleen glycol) doped met perchloraat (PEDOT+). Op verzoek van minimaal 1,5 V, de kleur van de reflectie van het apparaat veranderd van blauw (467 nm) op groen (485 nm) in 0.4 s. na toepassing van 0 V maakte het apparaat herstellen van de originele blauwe kleur in 2.7 s. Dit apparaat wordt gekenmerkt door haar snelste elektrische reactie en laagste bedrijfsspanning tussen de eerder gemeld cholesteric LC-apparaat. Dit apparaat kan de weg effenen voor de ontwikkeling van de volgende generatie reflecterende schermen met lage energie verbruik.
Introduction
Cholesteric vloeibare kristallen (LCs) staan bekend om het vertonen van heldere reflectie als gevolg van hun interne spiraalvormige moleculaire regelingen1,2,3,4kleuren. De reflectie golflengte λ wordt bepaald door de spiraalvormige toonhoogte P en het gemiddelde refractieve index n van de LC (λ = nP). Dergelijke LCs kan worden gegenereerd door doping chirale verbindingen (chirale dopants) te nematic LCs en zijn spiraalvormige worp wordt gedefinieerd door de vergelijking P = 1/βMC, waar βM de spiraalvormige draaiende kracht (HTP is) en C is de Kies Fractie van de chirale dopering. Gebaseerd op dit begrip, verschillende chirale dopants die op allerlei prikkels zoals licht5,6,7,8, warmte9, magnetisch veld10en gas11 inspelen kunnen is ontwikkeld. Dergelijke eigenschappen zijn potentieel nuttig voor diverse toepassingen zoals sensoren12 en lasers13,14,15 o.a.16,17,18 .
Onlangs, ontwikkelden we de eerste redox-responsieve chirale dopering FcD (Figuur 1A)19 die haar waarde HTP in reactie op redoxreacties kunt wijzigen. FC D bestaat uit een ferroceen, die kan ondergaan omkeerbare redox reacties20,21,22, en een binaftyl eenheid, waarvan bekend is dat het vertonen van hoge HTP waarde23. De cholesteric LC doped met FcD, in de aanwezigheid van een ondersteunende elektrolyt, kan veranderen de kleur van de reflectie binnen de 0,4 s en herstel de oorspronkelijke kleur in 2.7 s op verzoek van de spanning van + 1.5 en 0 V, respectievelijk. De hoge reactiesnelheid en lage bedrijfsspanning waargenomen voor het apparaat is ongekende onder een ander cholesteric LC-apparaat tot nu toe gerapporteerd.
Een van de belangrijke toepassingen van de cholesteric LCs is reflecterende displays, waarvan energie verbruik veel lager dan de conventionele LC displays ligt. Voor dit doel, moet cholesteric LCs wijzigen de kleur van de reflectie met elektrische prikkels. Toch, allermeest naar de vorige methoden gebruik maken van een elektrische verbinding tussen de toegepaste elektrische prikkels en de gastheer LC moleculen, die hoogspanning vereist meer dan 40 V24,25,26,27 ,28. Voor het gebruik van de elektrisch responsieve chirale dopering zijn er slechts enkele voorbeelden29,30 met inbegrip van onze eerdere werk31, waarvoor ook hoge spanning met laag reactietijd. Gezien deze eerdere werken, de prestatie van onze FcD-gedoopt cholesteric LC apparaat, vooral voor de snelle kleur modulatie snelheid (0,4 s) en operationele laagspanning (1,5 V), is een baanbrekende prestatie dat kan sterk bijdragen tot de ontwikkeling van volgende generatie reflecterende schermen. In dit gedetailleerde protocol tonen we de fabricage processen en de operationele procedures van het prototype cholesteric LC display apparaten.
Protocol
Representative Results
Discussion
Op verzoek van minimaal 1,5 V aan de bovenkant ITO elektrode (Figuur 1C) ondergaat FcD een oxidatie reactie voor het genereren van FcD+. Als de spiraalvormige kronkelende kracht van FcD+ (101 µm-1, Figuur 1B</st…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wij danken Dr. Keisuke Tajima van RIKEN Center voor opkomende zaak wetenschap voor waardevolle discussies. Een deel van dit werk werd uitgevoerd op het geavanceerde karakterisering nanotechnologie Platform van de Universiteit van Tokio, ondersteund door het ministerie van onderwijs, cultuur, sport, wetenschap en technologie (MEXT), Japan. Dit werk werd financieel ondersteund door een JSPS Grant-in-Aid voor wetenschappelijk onderzoek (S) (18H 05260) op de “Innovatieve functionele materialen gebaseerd op Multi-Scale Interfaciale Molecular Science” voor T.A. Y.I. dankbaar voor een JSPS Grant-in-Aid voor uitdagend is Verkennend onderzoek (16K 14062). S.T. bedankt de JSPS jonge wetenschapper 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 |
Referencias
- 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).
