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Chemistry

त्वरित और कम वोल्टेज रंग मॉडुलन के लिए एक इलेक्ट्रोकेमिकल कोलेस्टेरिक तरल क्रिस्टलीय डिवाइस

Published: February 27, 2019 doi: 10.3791/59244
Automatic Translation
*1, *1,2, 1, 3, 3
1Department of Chemistry and Biotechnology, The University of Tokyo, 2Department of Chemistry, Tsinghua University, 3RIKEN Center for Emergent Matter Science
* These authors contributed equally

Summary

एक परावर्तक कोलेस्टेरिक तरल क्रिस्टलीय प्रदर्शन डिवाइस के निर्माण के लिए एक प्रोटोकॉल जिसमें एक रेडॉक्स-उत्तरदायी चिरल डोपंत त्वरित और कम वोल्टेज आपरेशन की अनुमति देता है प्रस्तुत किया गया है ।

Abstract

हम एक प्रोटोटाइप परावर्तक प्रदर्शन युक्ति है कि एक सक्रिय घटक के रूप में cholesteric तरल क्रिस्टल (LC) शामिल fabricating के लिए एक विधि का प्रदर्शन । कोलेस्टेरिक एलसी एक नेमैटिक एलसी 4 '-पेंटिलॉक्सी-4-साइनोबिफेनिल (5ocb) से बना है, redox-उत्तरदायी चिरल डोपंत (एफसीडी), और एक समर्थन इलेक्ट्रोलाइट 1-एथिल-3-मिथालिमिमिडजोलियम trifluoromethanesulfonate (emim-otf) । सबसे महत्वपूर्ण घटक एफसीडीहै । इस अणु रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं के जवाब में अपनी कुंडलिनी घुमा शक्ति (htp) मूल्य बदलता है । इसलिए, स्वस्थानी में इलेक्ट्रोकेमिकल रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं में नियंत्रण रेखा मिश्रण डिवाइस के लिए विद्युत उत्तेजकता के जवाब में अपने प्रतिबिंब रंग बदलने के लिए अनुमति देते हैं । LC मिश्रण एक केशिका कार्रवाई द्वारा शुरू किया गया था, एक सैंडविच प्रकार इतो ग्लास सेल में नमूनों इंडियम टिन ऑक्साइड (आईटीओ) इलेक्ट्रोड के साथ दो गिलास स्लाइड शामिल, जिनमें से एक पाली के साथ लेपित किया गया था (3, 4-एथिलीन)-सह-पाली (ethylene ग्लाइकोल) को परक्लोरेट (पीडॉट+) के साथ मैगनेट किया जाता है । + १.५ V के आवेदन पर, डिवाइस का प्रतिबिंब रंग नीले (४६७ एनएम) से हरे (४८५ एनएम) में बदल ०.४ s. 0 वी के बाद के आवेदन में डिवाइस मूल नीले रंग की वसूली में बनाया २.७ एस । इस डिवाइस को अपनी सबसे तेजी से बिजली की प्रतिक्रिया और किसी भी पहले की रिपोर्ट cholesteric LC डिवाइस के बीच सबसे कम ऑपरेटिंग वोल्टेज की विशेषता है । यह डिवाइस कम ऊर्जा खपत दरों के साथ अगली पीढ़ी चिंतनशील प्रदर्शित करता है के विकास के लिए रास्ता प्रशस्त सकता है ।

Introduction

कोलेस्टेरिक लिक्विड क्रिस्टल (एलसीएस) अपने आंतरिक कुंडलिनी आणविक व्यवस्थाओं के कारण उज्ज्वल प्रतिबिंब रंगों को प्रदर्शित करने के लिए जाने जाते हैं1,2,3,4. प्रतिबिंब तरंगदैर्घ्य λ का निर्धारण पेचीय पिच प द्वारा तथा नियंत्रण रेखा के औसत अपवर्तनांक द (λ = nP) से होता है । इस तरह के एलसी को नेमैटिक एलसीएस के लिए चिराल यौगिकों (चिराल डोपेंट) को डोपिंग द्वारा उत्पन्न किया जा सकता है और इसकी कुंडलिनी पिच को समीकरण P = 1/βउगद्वारा परिभाषित की जाती है, जहां βm पेचदार ट्विस्टिंग पॉवर (htp) है और C मोलर है चिरल डोपंत का अंश । इस धारणा के आधार पर, विभिन्न चिरल dopants कि इस तरह के प्रकाश के रूप में उत्तेजकों की एक किस्म का जवाब कर सकते हैं5,6,7,8, गर्मी9, चुंबकीय क्षेत्र10, और गैस11 विकसित किया गया है । इस तरह के गुण विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए संभावित रूप से उपयोगी होते हैं जैसे सेंसर12 और लेसरों13,14,15 अन्य लोगों के बीच16,17,18 .

हाल ही में, हम पहले रेडॉक्स उत्तरदायी चिरल डोपंत एफसीडी (चित्रा 1ए)19 कि रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं के जवाब में अपने htp मूल्य बदल सकते हैं विकसित की है । Fc D एक ferrocene इकाई से बना है, जो प्रतिवर्ती रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं से गुजरना कर सकते हैं20,21,22, और एक binaphthyl इकाई, जो उच्च htp मान प्रदर्शित करने के लिए जाना जाता है23. कोलेस्टेरिक LC, एफसीडीके साथ मैगनीज एक समर्थन इलेक्ट्रोलाइट की उपस्थिति में, ०.४ s के भीतर अपने प्रतिबिंब रंग बदल सकते हैं और २.७ एस में अपने मूल रंग + १.५ और 0 V के वोल्टेज आवेदन पर ठीक हो, क्रमशः. उच्च प्रतिक्रिया गति और कम ऑपरेटिंग वोल्टेज के लिए देखा डिवाइस किसी भी अन्य cholesteric LC डिवाइस के बीच अभूतपूर्व है अब तक की सूचना दी.

कोलेस्टेरिक एलसी के महत्वपूर्ण अनुप्रयोगों में से एक चिंतनशील प्रदर्शित करता है, जिसका ऊर्जा उपभोग की दर पारंपरिक LC प्रदर्शित करता है की तुलना में बहुत कम है में है । इस प्रयोजन के लिए, cholesteric lcs विद्युत उत्तेजकता के साथ अपने प्रतिबिंब रंग बदलना चाहिए. हालांकि, पिछले तरीके के अधिकांश लागू विद्युत उत्तेजकता और मेजबान नियंत्रण रेखा के अणुओं के बीच एक विद्युत युग्मन का उपयोग, जो उच्च वोल्टेज की आवश्यकता है ४० V24,25,26,27 ,28. विद्युत उत्तरदायी चिरल डोपंत के उपयोग के लिए, केवल कुछ उदाहरण हैं29,हमारे पिछले31काम सहित30 , जो भी कम प्रतिक्रिया की गति के साथ उच्च वोल्टेज की आवश्यकता है. इन पिछले काम करता है, विशेष रूप से तेजी से रंग मॉडुलन गति (०.४ एस) और कम ऑपरेटिंग वोल्टेज (१.५ वी) के लिए हमारे एफसीडी-doped cholesteric नियंत्रण रेखा डिवाइस के प्रदर्शन को ध्यान में रखते हुए, एक अभूतपूर्व उपलब्धि है कि बहुत कर सकते है अगली पीढ़ी के विकास के लिए योगदान चिंतनशील प्रदर्शित करता है । इस विस्तृत प्रोटोकॉल में, हम निर्माण प्रक्रियाओं और प्रोटोटाइप cholesteric LC प्रदर्शन उपकरणों के संचालन प्रक्रियाओं का प्रदर्शन.

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Protocol

1. कोलेस्टेरिक एलसी मिश्रण की तैयारी

  1. जोड़ें ८४.६ 5ocb की मिलीग्राम और ५.९२२ एक साफ 10 मिलीलीटर गिलास शीशी में एफसीडी19 (३.१ mol% से 5ocb) की मिलीग्राम ।
  2. जोड़ें १२.९ एक नया साफ 10 मिलीलीटर गिलास शीशी में emim-otf और 10 मिलीलीटर dichloromethane के मिलीग्राम (CH2Cl2) और अच्छी तरह से मिश्रण । 5ocb-और FcD-युक्त कांच की शीशी में emim-otf समाधान के २.१ मिलीलीटर स्थानांतरण । धीरे से सभी घटकों को अच्छी तरह से मिश्रण करने के लिए शीशी हिला ।
  3. एक एल्यूमीनियम पन्नी के साथ कांच की शीशी को कवर और शीर्ष पर कई छेद बनाते हैं ।
  4. ऊपर CH2सीएल2 समाधान 5ocb युक्त, एफसीडी (३.१ mol% से 5ocb) और emim-otf (३.० mol% से 5ocb) ८० डिग्री सेल्सियस में एक अच्छी तरह हवादार हुड. ६० मिनट के बाद, CH2सीएल2 के अधिकांश evaporated है । इस प्रक्रिया के घटकों के सजातीय मिश्रण सुनिश्चित करने के लिए महत्वपूर्ण है ।
  5. कम दबाव के तहत शेष CH2सीएल2 वाष्पित (~ ५.० पीए) तेल रोटरी वैक्यूम पंप द्वारा ८० डिग्री सेल्सियस में ६० मिनट के लिए अच्छी तरह हवादार हुड के लिए एक स्पष्ट ऑरेंज एलसी मिश्रण प्राप्त करने के लिए ।

2. सैंडविच-प्रकार आईटीओ ग्लास सेल की तैयारी

  1. आईटीओ लेपित कांच की सफाई प्रक्रिया
    1. कट एक इटो नमूनों गिलास (10 सेमी x 10 सेमी, प्रतिरोध: ~ 30 Ω), जो एक छोटे आकार के लिए एक नामित इलेक्ट्रोड के १०० टुकड़े होते हैं (10 मिमी x 10 मिमी) एक हीरे से गिलास कटर इतना है कि एक टुकड़ा इलेक्ट्रोड का एक पैटर्न भी शामिल है. हमेशा कांच की सतह के प्रतिरोध की जांच करने के लिए पता है जो पक्ष का उपयोग आईटीओ के साथ नमूनों है, उदाहरण के लिए, डिजिटल मल्टी मीटर (आईटीओ नमूनों पक्ष कम प्रतिरोध है) ।
    2. एक पूरी तरह से इटो लेपित कांच (10 सेमी × 10 सेमी, प्रतिरोध: ~ 30 Ω) एक छोटे आकार (10 मिमी x 12 मिमी) एक हीरे की टाइप्ड ग्लास कटर से कट । फिर, कांच की सतह के प्रतिरोध की जांच करने के लिए पता है जो पक्ष आईटीओ के साथ लेपित है ।
    3. एक गिलास बर्तन (~ ५०० मिलीलीटर) में एक्सट्रान MA01 और २४० मिलीलीटर के ultrapure पानी के ६० मिलीलीटर मिश्रण से एक धोने समाधान तैयार करें । इस तरह से एक गिलास थाली की सतह एक दूसरे के साथ स्पर्श नहीं करता है कि अच्छी तरह से समाधान में ऊपर तैयार आईटीओ कांच प्लेटों भिगोएँ । कई आईटीओ कांच प्लेटों धोने के मामले में, यह कुछ समर्थन (जैसे, शैम्पू ब्रश) का उपयोग करने की सिफारिश की है ।
    4. एक अल्ट्रासोनिक स्नान में आईटीओ कांच प्लेटों युक्त पोत रखो और यह 30 मिनट के लिए sonicate । धोने के समाधान को बंद करने के बाद, तीन बार के लिए ultrapure पानी के २०० मिलीलीटर से आईटीओ ग्लास प्लेट्स युक्त पोत कुल्ला ।
    5. ३०० मिलीलीटर ultrapure पानी जोड़ें और 20 मिनट के लिए पोत sonicate । फिर, पानी को डिकेन्टेशन से निकाल दें । इस धोने चक्र तीन बार के लिए ultrapure पानी का उपयोग दोहराएं । प्रत्येक वाशिंग चक्र के लिए, पोत में इटो कांच प्लेटों की व्यवस्था की जांच करें ताकि प्लेटों की सतहों को एक दूसरे से संलग्न न कर सके ।
    6. धोने चक्र परिष्करण के बाद, नाइट्रोजन गैस के प्रवाह के माध्यम से एक के बाद इतो कांच प्लेटें एक सूखी । जब इतो कांच प्लेटों को साफ जगह पर रखते हैं, तो किसी भी क्षति या सतह के प्रदूषण से बचने के लिए इटो की सतह को ऊपर की ओर रखें ।
  2. पीडॉट+ लेपित इटो कांच प्लेट का निर्माण
    1. कांच की शीशी जिसमें पॉली (3, 4-एथिलिनेडिऑक्सीथाइओफीन) का नाइट्रोमेथेन विलयन होता है-सह-पाली (ईथीलीन ग्लाइकोल) को परक्लोरेट (पीडॉट+, ०.७ wt%) एक अल्ट्रासोनिक स्नान में और यह ६० मिनट के लिए sonicate एक अच्छी तरह से छितरी समाधान प्राप्त करने के लिए ।
    2. आईटीओ सतह सीधा सामना करना पड़ के साथ स्पिन विलेपक के रोटेटर पर पूरी तरह से इटो लेपित कांच की थाली रखें । एक नाइट्रोजन झटका बंदूक का उपयोग करके आईटीओ सतह से धूल उड़ा । ध्यान से पिपेट द्वारा ताजा sonicated पेडॉट+ समाधान के ५० μl स्थानांतरण ।
    3. परिवेश की स्थिति में ६० एस के लिए १००० rpm की दर से प्लेट कताई द्वारा pedot+ फिल्म बनाना (~ 25 ° c, आर्द्रता: ~ ४५%) । बेकिंग के बिना 1 ज के लिए परिवेश की स्थिति के तहत पेडॉट+ लेपित इटो ग्लास प्लेट्स रखें ।
  3. आईटीओ कांच सेल के निर्माण
    1. इतो से धूल उड़ा एक नाइट्रोजन झटका बंदूक का उपयोग करके नमूनों कांच प्लेटों ।
    2. एक मलाई मशीन का उपयोग अच्छी तरह से रेयान कपड़े के साथ कांच प्लेटों (10 मिमी x 10 मिमी) के इतो चेहरे रगड़ो । पूरी प्रक्रिया के दौरान, dusts के प्रदूषण से बचने के लिए एक नाइट्रोजन झटका बंदूक का उपयोग करें ।
    3. एक जगह है कि dusts के प्रदूषण, आदर्श एक साफ कमरे में से बचने कर सकते है में निंनलिखित प्रक्रियाओं बाहर ले ।
    4. मिश्रण एक ऑप्टिकल चिपकने वाला और एक चावल की एक बूंद गिलास मोती अच्छी तरह से आकार की राशि ।
    5. पेडॉट + लेपित इटो कांच की प्लेट को पेडोट+ सतह पर सीधा फेसिंग के साथ लेट करो । पेडोट+ लेपित इटो कांच की प्लेट पर चिपकने वाला मिश्रण की एक बहुत छोटी राशि रखो जहां इटो नमूनों कांच की थाली के चार कोनों आते हैं ।
    6. इटो नमूनों कांच की प्लेट को पेडोट+ लेपित इटो ग्लास प्लेट पर रखें, इस तरह से कि दो ग्लास प्लेटों की आईटीओ सतहों एक सेल के निर्माण के लिए एक दूसरे से जूझ रहे हैं । सेल के चारों कोनों को धीरे से धकेलें । सेल की सतह पर देखे गए फ्रिंज पैटर्न के गायब होने से एक समान सेल गैप की पुष्टि करें ।
    7. आसंजन को मजबूत करने के लिए 20 एस के लिए एक ३६५ एनएम यूवी लैंप के साथ ऊपर आईटीओ ग्लास सेल को विकिरणित करें ।
    8. आसंजन को मजबूत बनाने जारी रखने के लिए 3 ज के लिए १०० डिग्री सेल्सियस पर एक गर्म मंच पर ऊपर सेल गर्मी ।
    9. अल्ट्रासोनिक सोल्डर द्वारा सेल में कांच प्लेटों के इतो क्षेत्र में से प्रत्येक के लिए दो कंडक्टर तारों कनेक्ट ।

3. रंग मॉडुलन प्रयोगों

  1. नियंत्रण रेखा डिवाइस के निर्माण के लिए आईटीओ ग्लास सेल में कोलेस्टेरिक एलसी मिश्रण का परिचय
    1. आसानी से निपटने के लिए, एक इन्सुलेट टेप के साथ एक खुर्दबीन स्लाइड करने के लिए ऊपर तैयार कांच सेल के तारों को ठीक.
    2. गर्म चरण पर 10 से 15 मिनट के लिए ८० डिग्री सेल्सियस पर कोलेस्टेरिक एलसी मिश्रण युक्त कांच की शीशी को गरम करें । इसके अलावा इटो ग्लास सेल और एक spatula, जो एक ही तापमान पर, नमूना स्थानांतरित करने के लिए प्रयोग किया जाता है गर्मी ।
    3. सेल के दो इटो ग्लास प्लेटों के अंतर को जल्दी से गर्म रंग का उपयोग करके हॉट कोलेस्टेरिक एलसी मिश्रण की एक छोटी राशि स्थानांतरण । केशिका कार्रवाई द्वारा दो गिलास प्लेटों के बीच के अंतर को भरें, जो ~ ६० s लेता है ।
    4. गर्म चरण के तापमान को कम करता है ताकि सेल का तापमान ३७ डिग्री सेल्सियस तक पहुंच जाए ।
    5. उज्ज्वल प्रतिबिंब रंग प्रदर्शित करने के लिए डिवाइस के केंद्र पुश ।
  2. एक डिजिटल ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप का उपयोग करके रंग मॉडुलन प्रयोगों ।
    1. ३७ डिग्री सेल्सियस पर एक potentiostat का उपयोग करके क्रमशः 4 एस और 8 एस के लिए एलसी डिवाइस के लिए + १.५ और 0 वी एकांतर लागू करें । इस उपकरण में पेडोट+-लेपित इटो इलेक्ट्रोड के संदर्भ में नॉन-पेडोत+-लेपित इटो इलेक्ट्रोड के लिए वोल्टता मान परिभाषित किए जाते हैं । निरीक्षण और डिजिटल ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप से नियंत्रण रेखा डिवाइस के रंग परिवर्तन रिकॉर्ड ।
  3. स्पेक्ट्रोमेट्रिक रंग मॉडुलन प्रयोग
    1. निम्न यूवी विज़ स्पेक्ट्रोफोटोमीटर सेटअप पैरामीटर का उपयोग करें: प्रकाशमितीय मोड:% T, प्रतिक्रिया: तेज, बैंडविड्थ: १.० एनएम, स्कैन स्पीड: २,००० एनएम/मिनट, स्कैन रेंज: ८०० से ३०० एनएम
    2. आधारभूत माप के लिए, नियंत्रण रेखा डिवाइस के बिना स्पेक्ट्रोफोटोमीटर में गर्म अवस्था रखें । सुनिश्चित करें कि प्रेक्षण छिद्र को स्पेक्ट्रोफोटोमीटर के ऑप्टिकल पथ में ठीक से रखा गया है और आपतन का कोण 0 ° है । एक निश्चित तरंग दैर्ध्य पर वास्तविक समय में संप्रेषण मूल्य की निगरानी करें जिसका मूल्य गर्म अवस्था के प्लेसमेंट को समायोजित करके बड़ा किया जाता है । उसके बाद आधारभूत माप के लिए प्रारंभ करें ।
    3. इस गर्म अवस्था में LC डिवाइस प्लेस, और फिर, धारा 3.3.2 में वर्णित के रूप में एक ही तरह से उचित स्थिति के लिए गर्म चरण जगह. माप शुरू और स्पेक्ट्रम रिकॉर्ड.
    4. लागू करें + १.५ V 4 s के लिए और माप प्रारंभ करें । माप के बाद, 0 V 8 s के लिए लागू करें और, फिर से, माप प्रारंभ करें ।
    5. एक potentiostat का उपयोग करके क्रमशः + १.५ और 0 V वैकल्पिक रूप से 4 s और 8 s के लिए LC डिवाइस के लिए १०० बार के लिए लागू करें । वोल्टेज आवेदन चक्र के दौरान एक नामित तरंगदैर्घ्य (५१० एनएम) पर रिकॉर्ड संप्रेषण ।

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Representative Results

फोटोग्राफ, संप्रेषण स्पेक्ट्रा, और समय निर्भर संप्रेषण परिवर्तन प्रोफाइल ५१० एनएम पर एलसी डिवाइस युक्त FcD-doped (३.१ mol%) ईएमआईएम-ओडीएफ (३.० mol%) की उपस्थिति में कोलेस्टेरिक एलसी ३७ डिग्री सेल्सियस पर 0 और + १.५ V के बीच वोल्टेज आवेदन चक्र के दौरान ।

FcD (३.१ mol%), emim-otf (३.० mol%) और 5ocb ने ४६.८ डिग्री सेल्सियस से ३.२ डिग्री सेल्सियस तक शीतलन और ४.८ डिग्री सेल्सियस से ४९.७ डिग्री सेल्सियस तक की पुष्टि की है । अवकलन स्कैनिंग कैलोरीमेटरी (DSC) मापन (स्कैन दर: 5 डिग्री सेल्सियस/ इस मिश्रण से युक्त नियंत्रण रेखा डिवाइस एक उज्ज्वल प्रतिबिंब रंग (चित्रा 2a-i) जिसका प्रतिबिंब ४६७ एनएम पर केंद्रित बैंड स्पष्ट रूप से अपने संप्रेषण स्पेक्ट्रम में मनाया गया (चित्रा 2बी-i) ३७ डिग्री सेल्सियस पर प्रदर्शित किया । कोशिका में इस नियंत्रण रेखा सामग्री के संप्रेषण स्पेक्ट्रम का आकार कोलेस्टेरिक एलसी1,2की खासियत था, जहां बैंड की चौड़ाई Δλ (= ४५ nm) अनुमानित मूल्य (५३ nm) के साथ समझौते में है जो साधारण के आधार पर परिकलित किया जाता है ( न ओ = १.५३)३२ और असाधारण (एनई = १.७१)३२ 5ocb के अपवर्तनांक । यह इंगित करता है कि नियंत्रण रेखा के अणुओं एक ही ढंग सेल जो बस उंमुखीकरण फिल्म के बिना कांच सब्सट्रेट की सतह रगड़ से हासिल किया गया में गठबंधन कर रहे हैं, उज्ज्वल रंग और संप्रेषण स्पेक्ट्रम के स्पष्ट अवलोकन के लिए अनुमति दी ।

जब एक वोल्टेज + १.५ V नियंत्रण रेखा डिवाइस के लिए लागू किया गया था, प्रतिबिंब रंग नीला से हरा करने के लिए तुरंत बदल (४८५ एनएम, चित्रा 2a-ii और चित्रा 2B-ii). 0 V के बाद के आवेदन प्रारंभिक नीले रंग की वसूली में हुई (४६७ एनएम, चित्रा 2ए-iii और चित्रा 2बी-iii) । इस चक्र को कई बार संप्रेषण की ंयूनतम गिरावट के साथ दोहराया जा सकता है (चित्रा 2ग) नियंत्रण रेखा के अणुओं के एक ओरिएन्टेशनल विकार के कारण जो एक कतरनी लागू करके बस की मरम्मत की जा सकती है । मात्रात्मक विश्लेषण से पता चला है कि आगे और पिछड़े रंग में परिवर्तन केवल ०.४ s और २.७ एस में, क्रमशः ५१० एनएम (चित्रा 2डी) में संप्रेषण में ९०% परिवर्तन के आधार पर पूरा किया गया । यह ध्यान देने योग्य है कि इस cholesteric चिंतनशील नियंत्रण रेखा डिवाइस द्वारा अब तक का सबसे तेजी से प्रतिक्रिया में और ऑपरेशन वोल्टेज में सबसे कम करने के लिए डिज़ाइन किया गया है विद्युत चालित24,25,26,27 ,28,29,30,31,३३,३४.

हम यह भी एक सेल निर्मित आईटीओ के एक आंकड़ा के साथ नमूनों इलेक्ट्रोड "UT" एफसीडीका उपयोग कर-doped (३.१ mol%) कोलेस्टेरिक एलसी युक्त ईएमई-otf (३.० mol%) । + १.५ v और 0 v के एकांतर अनुप्रयोग ने फिगर ब्लिंक (चित्र 3) बनाया ।

Figure 1
चित्रा 1 : रेडॉक्स उत्तरदायी चिरल डोपंत की रासायनिक संरचना Fc D और प्रतिबिंब रंग बदलने के लिए तंत्र । (क, ख) एफसीडी और उसके ऑक्सीकरण फार्म एफसीडी+की रासायनिक संरचनाओं । पेचीय पिच 5ocb और एफसीडी सहित कोलेस्टेरिक नियंत्रण रेखा के पी एफसीडी के ऑक्सीकरण पर अब जो अपने कुंडलिनी घुमा बिजली βएमको कम लाती है हो जाता है । (ग) परावर्तन रंग के विद्युत-रासायनिक मॉडुलन के तंत्र का चित्रण. J. Am. केम. soc से अनुमति के साथ अनुकूलित । १४०, 10946-10949 (२०१८). कॉपीराइट २०१८ अमेरिकी रासायनिक सोसायटी । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए ।

Figure 2
चित्रा 2 : cholesteric LC डिवाइस के प्रतिबिंब रंग की विद्युत प्रतिक्रिया. फ़ोटोग्राफ़ (A) और संप्रेषण स्पेक्ट्रा (B) FcD-doped (३.१ mol%) नियंत्रण रेखा डिवाइस से युक्त ३.० mol% emim-otf में 5ocb में अपने प्रारंभिक राज्य (I), के आवेदन के बाद + १.५ वी के लिए 4 s (ii), और बाद में आवेदन 0 v के लिए 8 s (ii) पर ३७ ° c. (ग) ५१० एनएम पर नियंत्रण रेखा उपकरण के संप्रेषण में परिवर्तन पर लागू वोल्टेज के बीच + १.५ और 0 V. (D) ५१० एनएम पर नियंत्रण रेखा डिवाइस के संप्रेषण परिवर्तन का विवरण । J. Am. केम. soc से अनुमति के साथ अनुकूलित । १४०, 10946-10949 (२०१८). कॉपीराइट २०१८ अमेरिकी रासायनिक सोसायटी । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए ।

Figure 3
चित्रा 3 : प्रोटोटाइप प्रदर्शन डिवाइस । इटो-नमूनों वाला सेल जिसमें FcD-and emim-otf-doped कोलेस्टेरिक LC क्रमशः ३.१ और ३.० mol% का डोपिंग अनुपात है । सेल + १.५ और 0 V एकांतर के बीच लागू वोल्टेज स्विचन द्वारा "UT" का आंकड़ा पलक कर सकते हैं । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए ।

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Discussion

+ १.५ V के आवेदन पर शीर्ष इटो इलेक्ट्रोड (चित्रा 1सी), एफसी डी एफसीडी+उत्पन्न करने के लिए एक ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया से गुजरती है. एफसीडी+ (१०१ μm-1, चित्रा 1बी) की कुंडलिनी घुमा शक्ति के रूप में एफसीडी (११६ μm-1, चित्रा 1ए)19की तुलना में कम है, कोलेस्टेरिक एलसी की कुंडलिनी पिच लंबे समय तक बन जाती है और इस प्रकार ४६७ एनएम से ४८५ एनएम तक एक लंबी तरंग दैर्घ्य क्षेत्र में प्रतिबिंब तरंगदैर्घ्य को बदलता है । कुंडलिनी घुमा शक्ति के आधार पर, स्थिर राज्य में एलसी मिश्रण में एफसीडी और एफसीडी+ के बीच अनुपात 71:29 होने की गणना की जा सकती है । यदि एलसी मिश्रण में सभी fcd को fcd+बनाने के लिए ऑक्सीकरण किया जाता है, तो प्रतिबिंब तरंगदैर्घ्य ५३६ एनएम होना चाहिए, जो कि LC डिवाइस के लिए स्वीकार्य से बहुत अधिक है । कम रूपांतरण दर के लिए कारण एक रिवर्स प्रतिक्रिया की घटना ( एफसीडीकी कमी+) नियंत्रण रेखा के मिश्रण और pedot+ फिल्म (चित्रा 1सी) के इंटरफेस पर जगह लेने की वजह से की संभावना है । एक उच्च वोल्टेज के आवेदन रंग शिफ्ट19की एक बहुत व्यापक रेंज प्रेरित. उदाहरण के लिए, जब हमने + २.५ V लागू किया, तो रंग बदलाव अधिक महत्वपूर्ण (६२३ एनएम, नारंगी) था । हालांकि, यह रंग परिवर्तन प्रतिवर्ती नहीं था । जब हम एक चक्रीय वोल्टमोग्राम (CV) लिया एफसीडी, अपनी आधी तरंग क्षमता पर प्रकट होता है + ०.६१ v और अपरिवर्तनीय चोटी + २.२ v19पर प्रकट होता है. इसलिए, उचित ड्राइविंग वोल्टेज + ०.६१ और + २.२ वी के बीच होना चाहिए ।

पाली (3, 4-एथिलिनेडिऑक्सीथियोफीन)-सह-पाली (ईथीलीन ग्लाइकोल) से बना फिल्म की भूमिका परक्लोरेट३५ (पीडॉट+) के साथ एक रेडॉक्स दंपति है जो कि Fcडी से इलेक्ट्रॉन को क्षतिपूर्ति करने के लिए स्वीकार कर सकता है । प्रभारी. वास्तव में, हम लगभग ६०० एनएम (चित्रा 2बी-II) में संप्रेषण में कमी का निरीक्षण कर सकते हैं, जो कम पेडॉट+३६के लिए विशेषता है । यदि pedot+ फिल्म का उपयोग नहीं, कोई प्रतिबिंब रंग परिवर्तन एक ही वोल्टेज की स्थिति19के तहत जगह ले ली । ध्यान दें कि pedot की एक फिल्म/pss३७, सबसे लोकप्रिय pedot डेरिवेटिव में से एक है, इस डिवाइस के लिए उपयुक्त नहीं है के रूप में प्रतिबिंब का रंग धीरे से वोल्टेज आवेदन के बिना बदलता है । यह एफसीडी और अत्यधिक अंलीय pss के बीच कुछ अपरिवर्तनीय प्रतिक्रिया के कारण की संभावना है ।

इस डिवाइस के लिए रंग मॉडुलन समय ०.४ s और २.७ s है और इस प्रकार प्रतिक्रिया की गति ४५ एनएम/एस और 7 एनएम/एस क्रमशः आगे और पिछड़े रंग परिवर्तन के लिए है । औसत गति 26 एनएम/ यह किसी भी अन्य विद्युत रंग modulable कोलेस्टेरिक एलसी के बीच तेजी से अभूतपूर्व रूप से है. २०१० में, bunning और सह लेखकों की रिपोर्ट27 एक विद्युत रंग स्वरित्र cholesteric नियंत्रण रेखा युक्ति है कि अपने प्रतिबिंब रंग में बदल सकते है 3-5 एस । दृश्यमान रेंज में, रंग मॉडुलन गति ~ 17 एनएम/एस के रूप में गणना की जा सकती है । कोई अन्य उदाहरण26,29,30,31,३३,३४ हमारे अध्ययन से पहले इस गति को पार करने के लिए सूचित किया गया था19. यह भी ध्यान दिया जाता है कि वोल्टेज की १.५ वी डिवाइस में रंग मॉडुलन के लिए आवश्यक काफी कम है की तुलना में पहले की रिपोर्ट लोगों को24,25,26,27, 28 के रूप में वे आम तौर पर आवश्यकता से अधिक ४० V.

हमने एक सक्रिय घटक के रूप में FcD-doped lc युक्त एक चिंतनशील कोलेस्टेरिक एलसी डिस्प्ले डिवाइस के निर्माण के लिए प्रोटोकॉल का प्रदर्शन किया है । यह एक cholesteric LC के लिए पहला उदाहरण है कि १.५ V के रूप में कम के रूप में एक वोल्टेज के आवेदन पर अपने प्रतिबिंब रंग बदल सकते हैं. इस वोल्टेज की स्थिति के तहत, प्रतिबिंब रंग परिवर्तन ०.४ s, जो भी एक अभूतपूर्व गति है के भीतर जगह लेता है । पहले, परछाई का रंग मॉडुलन cholesteric lcs केवल उच्च वोल्टेज लागू करने से प्राप्त किया जा सकता (आमतौर पर ४० V से अधिक). इस पद्धति, दूसरी ओर, भी साधारण १.५ V सूखी सेल बैटरी का उपयोग करके प्रतिबिंब रंग मिलाना कर सकते हैं । इस cholesteric-नियंत्रण रेखा आधारित प्रदर्शन डिवाइस अगली पीढ़ी चिंतनशील प्रदर्शित करता है के विकास के लिए मार्ग प्रशस्त होगा ।

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Disclosures

हमारे पास खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।

Acknowledgments

हम बहुमूल्य चर्चाओं के लिए आकस्मिक मैटर विज्ञान के लिए रिकेन सेंटर से डॉ केइस्के ताजिमा का शुक्रिया अदा करते हैं । इस काम का एक हिस्सा, शिक्षा, संस्कृति, खेल, विज्ञान और प्रौद्योगिकी (mext), जापान के मंत्रालय द्वारा समर्थित टोक्यो विश्वविद्यालय के उन्नत लक्षण वर्णन नैनो प्रौद्योगिकी मंच पर आयोजित किया गया था । यह काम आर्थिक रूप से एक jsps अनुदान द्वारा समर्थित वैज्ञानिक अनुसंधान के लिए सहायता (S) (18h05260) पर "अभिनव कार्यात्मक बहु पैमाने पर interfacial आणविक विज्ञान के आधार पर सामग्री" T.A. y.i. के लिए एक jsps अनुदान के लिए आभारी है सहायता के लिए चुनौतीपूर्ण अन्वेषणात्मक अनुसंधान (16k14062) । पंचमहाल धन्यवाद jsps युवा वैज्ञानिक फैलोशिप ।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

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References

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रसायन विज्ञान अंक १४४ कोलेस्टेरिक लिक्विड क्रिस्टल चिरल डोपंत रेडॉक्स रिएक्शन चिंतनशील प्रदर्शन संरचनात्मक रंग इलेक्ट्रोकेमिस्ट्री
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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).

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