Przedstawiono protokół produkcji odblaskowego cholesterycznego, ciekłokrystalicznego urządzenia wyświetlającego, zawierającego chiralną domieszkę reagującą na redoks, umożliwiającą szybką i niskonapięciową pracę.
Artykuł metodologiczny
* These authors contributed equally
Przedstawiono protokół produkcji odblaskowego cholesterycznego, ciekłokrystalicznego urządzenia wyświetlającego, zawierającego chiralną domieszkę reagującą na redoks, umożliwiającą szybką i niskonapięciową pracę.
Demonstrujemy metodę wytwarzania prototypu odblaskowego wyświetlacza, który zawiera cholesteryczny ciekły kryształ (LC) jako aktywny komponent. Cholesteryczny LC składa się z nematycznego LC 4'-pentyloksy-4-cyjanobifenylu (5OCB), chiralnej domieszki reagującej na redoks (FcD) i podtrzymującego elektrolitu 1-etylo-3-metyloimidazolium trifluorometanosulfonianu (EMIm-OTf). Najważniejszym składnikiem jest FcD. Cząsteczka ta zmienia swoją wartość siły skręcania spiralnego (HTP) w odpowiedzi na reakcje redoks. Dlatego elektrochemiczne reakcje redoks in situ w mieszaninie LC pozwalają urządzeniu na zmianę koloru odbicia w odpowiedzi na bodźce elektryczne. Mieszaninę LC wprowadzono, poprzez działanie kapilarne, do szklanej celi ITO typu sandwich, składającej się z dwóch szkiełek z wzorzystymi elektrodami z tlenku indu i cyny (ITO), z których jedna była pokryta poli(3,4-etylenodioksytiofenem)-ko-poli(glikolem etylenowo-glikolowym) domieszkowanym nadchloranem (PEDOT+). Po przyłożeniu +1,5 V kolor odbicia urządzenia zmienił się z niebieskiego (467 nm) na zielony (485 nm) w ciągu 0,4 s. Późniejsze zastosowanie napięcia 0 V sprawiło, że urządzenie odzyskało pierwotny niebieski kolor w ciągu 2,7 s. Urządzenie to charakteryzuje się najszybszą reakcją elektryczną i najniższym napięciem roboczym spośród wszystkich wcześniej zgłoszonych cholesterycznych urządzeń LC. Urządzenie to może utorować drogę do opracowania wyświetlaczy odblaskowych nowej generacji o niskim zużyciu energii.
Cholesteric liquid crystals (LCs) są znane z tego, że wykazują jasne kolory odbicia ze względu na ich wewnętrzne spiralne układy molekularne1,2,3,4. Długość fali odbicia λ jest określana przez skok P i średni współczynnik załamania światła n LC (λ = nP). Takie LC mogą być generowane przez domieszkowanie związków chiralnych (domieszek chiralnych) do nematycznych LC, a ich skok spiralny jest zdefiniowany równaniem P = 1/βMC, gdzie βM to spiralna siła skręcania (HTP), a C to frakcja molowa domieszki chiralnej. Opierając się na tym pojęciu, opracowano różne domieszki chiralne, które mogą reagować na różne bodźce, takie jak light5,6,7,8, heat9, magnetic field10 i gas11. Takie właściwości są potencjalnie przydatne w różnych aplikacjach, takich jak między innymi sensors12 i lasers13,14,15 między innymi16,17,18.
Niedawno opracowaliśmy pierwszą chiralną domieszkę FcD reagującą na redoks (Rysunek 1A)19, która może zmieniać swoją wartość HTP w odpowiedzi na reakcje redoks. FcD składa się z jednostki ferrocenu, która może ulegać odwracalnym reakcjom redoks20,21,22, oraz jednostki binaftylowej, o której wiadomo, że wykazuje wysoką wartość HTP23. Cholesteryczny LC domieszkowany FcD, w obecności podtrzymującego elektrolitu, może zmienić swój kolor odbicia w ciągu 0,4 s i odzyskać swój pierwotny kolor w ciągu 2,7 s po przyłożeniu napięcia odpowiednio +1,5 i 0 V. Wysoka szybkość reakcji i niskie napięcie robocze zaobserwowane dla urządzenia jest bezprecedensowe wśród jakiegokolwiek innego cholesterycznego urządzenia LC opisanego do tej pory.
Jednym z ważnych zastosowań cholesterycznych wyświetlaczy LC są wyświetlacze refleksyjne, których zużycie energii jest znacznie niższe niż w przypadku konwencjonalnych wyświetlaczy LC. W tym celu cholesteryczne LC powinny zmieniać swój kolor odbicia za pomocą bodźców elektrycznych. Jednak większość poprzednich metodologii wykorzystuje sprzężenie elektryczne między zastosowanymi bodźcami elektrycznymi a cząsteczkami LC gospodarza, co wymaga wysokiego napięcia powyżej 40 V24,25,26,27,28. Dla użycia elektrycznie reagującej domieszki chiralnej jest tylko kilka przykładów29,30, w tym nasza poprzednia praca31, która również wymaga wysokiego napięcia przy niskiej szybkości reakcji. Biorąc pod uwagę te wcześniejsze prace, wydajność naszego cholesterycznego urządzenia LC domieszkowanego D Fc, szczególnie w przypadku dużej prędkości modulacji kolorów (0,4 s) i niskiego napięcia roboczego (1,5 V), jest przełomowym osiągnięciem, które może znacznie przyczynić się do rozwoju wyświetlaczy refleksyjnych nowej generacji. W tym szczegółowym protokole demonstrujemy procesy produkcyjne i procedury operacyjne prototypowych cholesterycznych wyświetlaczy LC.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
1. Przygotowanie mieszaniny cholesterycznej LC
2. Przygotowanie szklanej komory ITO typu sandwich
3. Eksperymenty z modulacją kolorów
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Fotografie, widma transmitancji i profile zmian transmitancji zależne od czasu przy 510 nm są zbierane dla urządzenia LC zawierającego FcD domieszkowany (3,1 mol.) cholesteryczny LC w obecności EMIm-OTf (3,0 mol%) podczas cykli napięcia między 0 a +1,5 V w temperaturze 37 °C.
Mieszanina LC zawierająca FcD (3,1 mol.), EMIm-...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Po przyłożeniu +1,5 V do górnej elektrody ITO (rysunek 1C), FcD ulega reakcji utleniania w celu wytworzenia FcD+. Ponieważ spiralna zdolność skręcania FcD+ (101 μm-1, rysunek 1B) jest niższa niż
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Nie mamy nic do ujawnienia.
Dziękujemy Dr. Keisuke Tajima z RIKEN Center for Emergent Matter Science za cenne dyskusje. Część tych prac została przeprowadzona na Platformie Nanotechnologii Zaawansowanej Charakterystyki Uniwersytetu Tokijskiego, wspieranej przez Ministerstwo Edukacji, Kultury, Sportu, Nauki i Technologii (MEXT) w Japonii. Praca ta została wsparta finansowo przez JSPS Grant-in-Aid for Scientific Research (S) (18H05260) na temat "Innowacyjnych materiałów funkcjonalnych opartych na wieloskalowych międzyfazowych naukach molekularnych" dla T.A. Y.I. jest wdzięczny za grant JSPS Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research (16K14062). S.T. dziękuje JSPS Young Scientist Fellowship.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| 1-etylo-3-metyloimidazolium Trifluorometanosulfonian, 98% | TCI | E0494 | |
| 4-cyjano-4'-pentyloksybifenyl, 98% | TCI | C1551 | |
| Frez do szkła z diamentową końcówką | AS ONE | 6-539-05 | |
| Dichlorometan, 99,5% | KANTO CHEMICAL | 10158-2B | |
| Różnicowy kalorymetr skaningowy | METTLER Mikroskop | TOLEDO DSC 1 | |
| KEYENCE | VHX-5000 | ||
| Extran MA01 | Merck | 107555 | |
| W pełni powlekana ITO płyta | Zamówienie kostiumu, Odporność: ~30Ω | ||
| Koraliki szklane | Thermo Fisher Scientific | 9005 | 5 ± 0,3 μ m średnicy |
| Hot stage | INSTEC | mK1000 | |
| Płyta | Zamówienie kostiumu, Odporność: ~30Ω | ||
| Olejowa rotacyjna pompa próżniowa | SATO VAC | TSW-150 | Ciśnienie: ~5 Pa |
| Klej optyczny | Noland | NOA81 | |
| Poli(3,4-etylenodioksytiofen), bis-poli(glikol etylenowy), zakończony laurylem | Sigma Aldrich | 687316 | 0,7% wag. (dyspersja w nitrometanie) |
| Potencjostat | TOHO BADANIA TECHNICZNE | PS-08 | |
| Maszyna do nacierania | EHC | MRJ-100S | |
| Spektrofotometr | JASCO | V-670 UV/VIS/NIR | |
| Powlekarka wirowa | MIKASA | 1H-D7 | |
| Woda ultraczysta | Merck | Milli-Q Integral 3 | |
| Kąpiel ultradźwiękowa | AS ONE | ASU-2 | Moc: 40 W |
| ultradźwiękowe | Lampa uv KURODA TECHNO | SUNBONDER USM-IV | |
| AS ONE | SLUV-4 | Moc: 4 W |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE
Poproś o pozwolenie