Un dispositivo cristalino líquido colestérico electroquímico para modulación de Color rápida y de baja tensión
Summary
Un protocolo para la fabricación de un dispositivo de pantalla cristalino líquido colestérico reflexión que contiene un dopante quiral redox-sensible que permite el funcionamiento rápido y de baja tensión se presenta.
Abstract
Demostrar un método para la fabricación de un dispositivo de visualización reflexiva de prototipo que contiene cristal líquido colestérico (LC) como un componente activo. La LC colestérico se compone de un nemático LC 4′-pentyloxy-4-cyanobiphenyl (5OCB), redox-sensible dopant chiral (FcD) y un electrolito soporte 1-etil-3-methylimidazolium trifluorometanosulfonato (EMIm-OTf). El componente más importante es el FcD. Esta molécula cambia su valor de energía (HTP) torsión helicoidal en respuesta a reacciones redox. Por lo tanto, las reacciones redox electroquímica in situ en la mezcla de LC permiten el dispositivo para cambiar su color de reflexión en respuesta a estímulos eléctricos. La mezcla de la LC fue introducida, por una acción capilar, a un tipo sandwich ITO vidrio celular compuesto por dos laminas de vidrio con electrodos de óxido de estaño (ITO) estampado indio, uno de los cuales estaba cubierto con poly(3,4-ethylenedioxythiophene) –co-poli (etileno glicol) dopado con perclorato (PEDOT+). Aplicación de + 1,5 V, el color de la reflexión del dispositivo cambia de azul (467 nm) a verde (485 nm) en 0,4 posteriores s. aplicación de 0 V hizo el dispositivo recupera el color azul original en 2.7 s. Este dispositivo se caracteriza por su mayor respuesta eléctrica y menor tensión entre cualquier previamente divulgados colestérico dispositivo de LC. Este dispositivo podría allanar el camino para el desarrollo de los muestra reflexivo de próxima generación con tasas de consumo de energía baja.
Introduction
Cristales líquidos cholesteric (LCs) se sabe que exhiben colores de reflexión brillante debido a su régimen molecular helicoidal1,2,3,4. El reflejo de longitud de onda λ está determinada por el tono helicoidal P y la media de refracción el índice de n de la LC (λ = nP). Estos LCs puede ser generada por dopaje chiral compuestos (dopantes quirales) a nemático LCs y su tono helicoidal se define por la ecuación P = 1/βMC, donde βM es la potencia de torsión helicoidal (HTP) y C es el molar fracción de dopant chiral. Basado en esta noción, diferentes dopantes quirales que puede responder a una variedad de estímulos como luz5,6,7,8, calor9, campo magnético10y gas11 se ha desarrollado. Tales propiedades son potencialmente útiles para varias aplicaciones como sensores12 y láseres13,14,15 entre otros16,17,18 .
Recientemente, hemos desarrollado el primer dopant chiral redox-sensible FcD (figura 1A)19 que pueden cambiar su valor HTP en respuesta a reacciones redox. FC D se compone de una unidad de ferroceno, que puede sufrir reacciones de redox reversible20,21,22y una unidad binaphthyl, que se sabe que exhiben alta HTP valor23. La LC colestérico dopada con FcD, en presencia de un electrolito soporte, puede cambiar su color de reflexión dentro de 0,4 s y recuperar su original color de 2.7 s sobre la aplicación de voltaje de + 1,5 y 0 V, respectivamente. La velocidad de respuesta alta y baja tensión observan para el dispositivo es sin precedentes entre cualquier otro dispositivo de LC colestérico divulgado hasta ahora.
Una de las aplicaciones importantes de la LCs cholesteric es muestra reflexiva, cuya tasa de consumo de energía es mucho menor que las pantallas convencionales de LC. Para ello, LCs colestérico debe cambiar su color de reflexión con estímulos eléctricos. Sin embargo, la mayoría de las metodologías anteriores utiliza un acoplamiento eléctrico entre los estímulos eléctricos aplicados y las moléculas de LC de host, que requiere alto voltaje 40 V24,25,26,27 ,28. Para el uso del dopant chiral eléctricamente sensible, hay solamente pocos ejemplos29,30 incluyendo nuestro anterior trabajo31, que también requiere alto voltaje con velocidad de respuesta baja. Teniendo en cuenta estos trabajos previos, el rendimiento de nuestro FcD-dopado colestérico dispositivo de LC, especialmente para la velocidad de modulación del color rápido (0,4 s) y baja tensión (1,5 V), es un logro revolucionario que puede mucho contribuir al desarrollo de pantallas reflectantes de próxima generación. En este protocolo detallado, nos demuestran los procesos de fabricación y los procedimientos operativos de los dispositivos de pantalla LC colestérico prototipo.
Protocol
Representative Results
Discussion
Tras aplicación de + 1,5 V en la parte superior electrodo ITO (figura 1C), FcD experimenta una reacción de oxidación para generar FcD+. Como el poder de torsión helicoidal de FcD+ (101 μm-1, figura 1B</stron…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Agradecemos Dr. Keisuke Tajima del centro RIKEN para la emergente ciencia de materia valiosos debates. Una parte de este trabajo se llevó a cabo en la plataforma de caracterización de nanotecnología de avanzada de la Universidad de Tokio, apoyado por el Ministerio de educación, cultura, deportes, ciencia y tecnología (MEXT), Japón. Este trabajo fue apoyado financieramente por un JSP subvenciones para investigación científica (S) (18H 05260) sobre “Materiales funcionales innovadores basados en Ciencia Molecular Interfacial multi-escala” T.A. Y.I. es agradecido para un JSP subvenciones para difíciles Investigación exploratoria (16K 14062). S.T. agradece la beca de científico joven de JSP.
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).
