Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

אלקטרוכימי Cholesteric נוזל גבישי התקן עבור אפנון מהירה וצבע מתח נמוך

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

פרוטוקול עבור הזיוף של נוזל cholesteric רעיוני מגובש להציג מכשיר המכיל מוצגים dopant כיראלי מגיב חמצון-חיזור המאפשר תפעול מהיר מתח נמוך.

Abstract

נדגים שיטה בדיית התקן תצוגה רעיוני אב טיפוס המכיל גביש נוזלי cholesteric (LC) כמו מרכיב פעיל. LC cholesteric מורכב nematic LC 4'-pentyloxy-4-cyanobiphenyl (5OCB) dopant כיראלי מגיב חמצון-חיזור (FcD), תמיכה אלקטרוליט 1-אתיל-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonate (EMIm-OTf). המרכיב החשוב ביותר הוא מועדון הכדורגלD. מולקולה זו משתנה ערכו כוח (HTP) ומפותלים לוליינית בתגובה תגובות חמצון-חיזור. לכן, תגובות חמצון-חיזור אלקטרוכימי באתרו בתערובת LC לאפשר עבור התקן כדי לשנות את צבעו השתקפות בתגובה לגירויים חשמל. התערובת LC הוכנס, על ידי נימיות, כריך מסוג איטו זכוכית תא הכוללת שתי שקופיות זכוכית עם אלקטרודות תחמוצת בדיל (ITO) בדוגמת אינדיום, אחד מהם היה מצופה poly(3,4-ethylenedioxythiophene) -co-פולי (אתילן גליקול) מסטול עם פרכלורט (PEDOT+). על היישום של +1.5 V, השתקפות הצבע של ההתקן משתנה מכחול (467 ננומטר) ירוק (485 ננומטר) ב 0.4 ס' עוקבים היישום של 0 V עשה את המכשיר לשחזר את הצבע הכחול המקורי ב- 2.7 s. התקן זה מאופיין על-ידי התגובה החשמלית המהירה שלה, מתח ההפעלה הנמוך ביותר בין כל דיווח בעבר מכשיר LC cholesteric. מכשיר זה יכול לסלול את הדרך לפיתוח של הדור הבא רפלקטיביים מציג עם שיעורי צריכת אנרגיה נמוכה.

Introduction

גביש נוזלי cholesteric (ארגון LCs) ידועים להפגין צבעים בהירים השתקפות עקב שלהם פנימי לוליינית הסדרים מולקולרית1,2,3,4. השתקפות גל λ נקבעת על-ידי הזריקה לוליינית P לבין הממוצע השבירה n של LC אינדקס (λ = nP). השנתיים כזה יכול להיווצר על ידי סימום כיראלי תרכובות (כיראלי dopants) nematic השנתיים וגובה הסליל שלו מוגדרת על-ידי המשוואה P = 1/βMC, איפה βM כוח פיתול לוליינית (HTP) ו- C הוא השן הטוחנת שבריר dopant כיראלי. מבוסס על הרעיון הזה, dopants כיראלי שונים שיכול להגיב למגוון גירויים כגון אור5,6,7,8, חום9, שדה מגנטי10וגז11 פותחה. מאפיינים כאלה יכולות להיות שימושיות ליישומים שונים כגון חיישנים12 ו לייזרים13,14,15 בין היתר16,17,18 .

לאחרונה, פיתחנו את הראשון dopant כיראלי חמצון-חיזור מגיביםD (איור 1א') Fc19 שיכולים לשנות את הערך HTP שלו בתגובה תגובות חמצון-חיזור. Fc D מורכבת יחידת ferrocene, אשר יכול לעבור חמצון-חיזור הפיך תגובות20,21,22, יחידת binaphthyl, אשר ידוע שהפגינו HTP גבוהה ערך23. LC cholesteric מסטול עם מועדון הכדורגלD, בנוכחות אלקטרוליט התומכים, באפשרותך לשנות את צבעו השתקפות בתוך 0.4 s וצבע לשחזר המקורית ב- 2.7 s על יישום מתח של +1.5 ו- 0 V, בהתאמה. מתח הפעלה נמוך ומהירות תגובה גבוהה נצפתה עבור ההתקן חסר תקדים בין כל מכשיר LC cholesteric אחר עד כה דווח.

אחד היישומים החשובים של השנתיים cholesteric הוא מציג רפלקטיביים, שקצב צריכת האנרגיה הוא הרבה יותר התצוגות LC קונבנציונאלי נמוך. למטרה זו, ארגון LCs cholesteric ומשנה את צבעו השתקפות עם גירויים חשמליים. עם זאת, רוב למתודולוגיות הקודם לנצל של חשמל צימוד בין הגירויים חשמל יישומית שהמולקולות LC המארח, הדורש מתח גבוה מעל 40 V24,25,26,27 ,28. עבור שימוש dopant כיראלי תגובה חשמלית, ישנם רק כמה דוגמאות29,30 כולל שלנו הקודם עבודה31, אשר גם דורש מתח גבוה עם מהירות התגובה נמוכה. בהתחשב יצירות קודמות אלה, הביצועים של שלנו FcD-LC התקן cholesteric מסומם, במיוחד עבור המהירות אפנון צבע מהיר (0.4 s) מתח נמוך ההפעלה (1.5 V), הוא הישג פורץ יכול במידה רבה לתרום לפיתוח הדור הבא מציג רעיוני. ב פרוטוקול מפורט זה, נדגים את תהליכי ייצור ונוהלי הפעלה של התקני תצוגה LC cholesteric האב-טיפוס.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. הכנת התערובת LC cholesteric

  1. להוסיף 84.6 מ"ג של 5OCB ו 5.922 מ"ג של FcD19 (3.1% מול כדי 5OCB) לתוך בקבוקון זכוכית נקי 10 מ"ל.
  2. להוסיף 12.9 מ ג של EMIm-OTf ו- 10 מ"ל של דיכלורומתאן (CH2Cl2) לתוך בקבוקון זכוכית חדש נקי 10 מ"ל ומערבבים היטב. העברה מ ל 2.1 של הפתרון EMIm-OTf לתוך 5OCB - FcD-המכיל בקבוקון זכוכית. לנער בעדינות את המבחנה לתת כל המרכיבים מערבבים היטב.
  3. לכסות את המבחנה זכוכית עם רדיד אלומיניום ולעשות כמה פתחים בחלק העליון.
  4. מחממים את הפתרון2Cl2 לעיל CH המכיל 5OCB, FcD (מול 3.1% ל- 5OCB) ו- EMIm-OTf (מול 3.0% ל- 5OCB) ב 80 ° C בשכונה מאוורר היטב. לאחר 60 דקות, רוב ה CH2Cl2 היא התפוגגה. ההליך זה חשוב לוודא הומוגני מערבוב הרכיבים.
  5. להתנדף הנותרים CH2Cl2 תחת לחץ מופחת (~5.0 הרשות הפלסטינית) על ידי משאבת ואקום שמן רוטרי ב 80 מעלות צלזיוס במשך 60 דקות בשכונה מאוורר היטב לקבלת תערובת LC ברור כתום.

2. הכנת כריך מסוג איטו זכוכית התא

  1. ניקוי הליך של קריטון מצופה זכוכית
    1. חתך של זכוכית ITO בדוגמת (10 ס"מ x 10 ס"מ, ההתנגדות: Ω ~ 30), אשר מכילה 100 חתיכות אלקטרודה ייעודית לגודל קטן יותר (10 מ"מ x 10 מ"מ) על ידי יהלום לחיתוך זכוכית משופעת כך חתיכה אחת כוללת תבנית אחת של האלקטרודה. בדוק תמיד את ההתנגדות של פני השטח של הזכוכית לדעת באיזה צד הוא בדוגמת עם איטו באמצעות, למשל, מד מרובה דיגיטלית (איטו בדוגמת בצד יש התנגדות נמוכה).
    2. חותך זכוכית ITO מצופה באופן מלא (10 ס"מ × 10 ס מ, ההתנגדות: ~ 30 Ω) לגודל קטן יותר (10 מ"מ x 12 מ"מ) על ידי יהלום לחיתוך זכוכית משופעת. שוב, לבדוק את ההתנגדות של פני השטח של הזכוכית לדעת באיזה צד מצופה איטו.
    3. להכין פתרון הכביסה על ידי ערבוב 60 מ של Extran MA01, 240 מ ל מים הנדסה גנטית בתוך כלי זכוכית (~ 500 מ"ל). משרים לאמור לעיל מוכן צלחות זכוכית ITO בתוך תמיסת ביסודיות בצורה כזאת, כי פני השטח של כל צלחת זכוכית אינו נוגע אחד עם השני. במקרה של שטיפת צלחות זכוכית ITO רבים, מומלץ להשתמש קצת תמיכה (למשל, שמפו מברשת).
    4. לשים צלחות זכוכית ITO המכיל את כלי השיט באמבט אולטראסוני, sonicate זה למשך 30 דקות. לאחר decanting את הפתרון כביסה, לשטוף כלי המכיל צלחות זכוכית ITO על ידי 200 מיליליטר מים הנדסה גנטית עבור שלוש פעמים.
    5. מוסיפים 300 מ ל מים הנדסה גנטית, sonicate את הכלי עבור 20 דקות. לאחר מכן, להסיר את המים על ידי שפייה. חזור על מחזור כביסה זה באמצעות הנדסה גנטית מים עבור שלוש פעמים. כל מחזור כביסה, בדוק את הסידור של איטו הזכוכיות בתוך הכלי כך המשטחים של הלוחות לא מחוברים אחד לשני.
    6. לאחר שסיים מחזורי כביסה, יבש צלחות זכוכית ITO אחד באמצעות זרימת גז חנקן. כשאת מורחת את צלחות זכוכית ITO נקי במקום, לשמור את פני השטח של איטו כלפי מעלה על מנת למנוע נזקים או זיהום של פני השטח.
  2. ייצור של PEDOT+ מצופה צלחת זכוכית ITO
    1. לשים את הצנצנת זכוכית המכיל פתרון nitromethane של poly(3,4-ethylenedioxythiophene) -co-פולי (אתילן גליקול) מסטול עם פרכלורט (PEDOT+, 0.7 wt %) לתוך באמבט אולטרא ו sonicate זה עבור 60 דקות להשיג פתרון טוב התפזרו.
    2. המקום מלא קריטון מצופה זכוכית לוחית הזיהוי מסובב של coater ספין עם איטו. זקוף מול משטח. לפוצץ את האבק מהמשטח איטו באמצעות אקדח המכה חנקן. להעביר בזהירות µL 50 של טרי sonicated PEDOT+ פתרון באמצעות פיפטה.
    3. לפברק את הסרט PEDOT+ על ידי מסובב את הצלחת בקצב של 1000 סל ד 60 s ב תנאי הסביבה (~ 25 ° C, לחות: ~ 45%). שמור PEDOT+ מצופה לוחות זכוכית ITO תחת תנאי הסביבה 1 h ללא אפייה.
  3. ייצור של התא זכוכית ITO
    1. לפוצץ את האבק מן צלחות זכוכית ITO בדוגמת באמצעות אקדח המכה חנקן.
    2. לשפשף את פניו איטו של הזכוכיות (10 מ"מ x 10 מ"מ) עם בד משי מלאכותי ביסודיות בעזרת מכונה שפשוף. במהלך התהליך כולו, להשתמש באקדח המכה חנקן כדי למנוע הזיהום של dusts.
    3. בצע את ההליכים הבאים במקום. ניתן למנוע את הזיהום של dusts, באופן אידיאלי בתוך חדר נקי.
    4. מערבבים טיפה של דבק אופטי וכמות בגודל אורז של חרוזי זכוכית ביסודיות.
    5. שכב עכשיו PEDOT+ מצופה איטו צלחת זכוכית על השולחן עם זקוף מול משטח PEDOT+ . לשים כמות קטנה של תערובת דבק על גבי PEDOT+ מצופה צלחת זכוכית ITO איפה בארבע הפינות של קריטון בדוגמת לבוא צלחת זכוכית.
    6. את לוח הזכוכית איטו בדוגמת אל PEDOT+ מצופה איטו צלחת זכוכית כך משטחים איטו של שתי הזכוכיות עומדים בפני אחד לשני כדי לפברק תא. דחף בעדינות את ארבע הפינות של התא. לאשר פער תא אחיד על ידי היעלמותו של דפוס פרינג נצפו על פני השטח של התא.
    7. להאיר את התא זכוכית ITO לעיל עם מנורת nm UV 365 20 s כדי לחזק את הידבקות.
    8. מחממים את התא לעיל על הבמה חם ב 100 מעלות צלזיוס במשך 3 שעות להמשיך לחזק את הידבקות.
    9. התחברות שני חוטי ניצוח לכל אזור איטו של הזכוכיות בתא על-ידי הלחמה אולטרה סאונד.

3. צבע אפנון ניסויים

  1. מבוא של תערובת LC cholesteric לתוך התא זכוכית ITO עבור הזיוף של המכשיר LC
    1. לטיפול בקלות, לתקן את החוטים הנ ל מוכן זכוכית תא לשקופית מיקרוסקופ עם סרט בידוד.
    2. מחממים את המבחנה זכוכית המכיל את התערובת LC cholesteric ב 80 מעלות צלזיוס למשך 10-15 דקות על הבמה חם. גם חום תא זכוכית ITO וממרית, אשר משמש להעברת הדגימה, בטמפרטורה זהה.
    3. העברת כמות קטנה של תערובת LC cholesteric חם על-ידי שימוש המרית מחוממת במהירות הפער של שתי צלחות זכוכית ITO של התא. למלא את הפער בין שתי הזכוכיות מאת נימיות, אשר לוקח ~ 60 s.
    4. להנמיך את הטמפרטורה של השלב חם כך הטמפרטורה של התא מגיע ל- 37 מעלות צלזיוס.
    5. לדחוף למרכז של המכשיר שהפגינו צבע בהיר השתקפות.
  2. צבע אפנון ניסויים באמצעות מיקרוסקופ אופטי דיגיטלי.
    1. להחיל +1.5 ו- 0 V לסירוגין על המכשיר LC עבור 4 s ו- 8 s, בהתאמה, באמצעות potentiostat ב- 37 מעלות צלזיוס. הערכים מתח מוגדרים עבור הלא-PEDOT+-מצופה אלקטרודה איטו בהקשר זה עבור PEDOT+-אלקטרודה מצופה איטו את ההתקן. לצפות, להקליט את שינוי הצבע של המכשיר LC על ידי מיקרוסקופ אופטי דיגיטלי.
  3. ניסויים אפנון צבע spectrometric
    1. השתמש בפרמטרים הבאים ההתקנה ספקטרופוטומטרים UV-vis: מצב בהשוואת: %T, תגובה: מהר, רוחב פס: 1.0 ננומטר, מהירות סריקה: 2,000 nm/min, טווח סריקה: 800 עד 300 ננומטר
    2. עבור המידה הבסיסית, למקם את הבמה חם ספקטרופוטומטרים בלי המכשיר LC. ודא כי החור התצפית ממוקמת כראוי בנתיב האופטי של ספקטרופוטומטרים השכיחות של זווית הוא 0°. לנטר את הערך להדמיה בזמן אמת באורך גל מסוים שערכו מוגדל על-ידי התאמת המיקום של השלב חם. אז מתחילים עבור המידה הבסיסית.
    3. למקם את המכשיר LC בשלב זה חם, אז, במקום השלב חם למיקום המתאים בצורה זהה כמתואר בסעיף 3.3.2. להתחיל את המדידה והקלטה של הספקטרום.
    4. החל +1.5 V עבור 4 s ולהתחיל המדידה. לאחר המדידה, להחיל 0 V עבור 8 s ו, שוב, להתחיל המדידה.
    5. מועמדות +1.5 ו- 0 V לסירוגין 100 פעמים על ההתקן LC עבור 4 s ו- 8 s, בהתאמה, על-ידי שימוש של potentiostat. להדמיה שיא-גל המיועד (510 ננומטר) במהלך מחזורי היישום מתח.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

תמונות להדמיה ספקטרה, אנו תלויים זמן לשנות פרופילים-510 ננומטר נאספים עבור ההתקן LC המכיל FcD-מסומם (3.1 מול %) LC cholesteric בנוכחות EMIm-OTf (מול 3.0%) במהלך מחזורי היישום מתח בין 0 ל- +1.5 V ב- 37 מעלות צלזיוס.

התערובת LC המכיל FcD (מול 3.1%), EMIm-OTf (מול 3.0%) 5OCB שווקה mesophase cholesteric מכל 46.8 ° C עד 3.2 מעלות צלזיוס על קירור ומ 4.8 ° C מעלות 49.7 על חימום מאושרות על ידי מדידה דיפרנציאלי calorimetry (DSC) סריקה (scan rate קצב: 5 ° C/min). המכשיר LC המכיל תערובת זו הציג צבע בהיר השתקפות (איור 2A-אני) של מי הלהקה השתקפות מרוכז בכל 467 nm נצפתה בבירור בספקטרום להדמיה שלה (איור 2B-אני) ב 37 º C. הצורה של הספקטרום להדמיה של החומר LC בתא היה אופייני של1,cholesteric השנתיים2, איפה הלהקה רוחב Δλ (= 45 ננומטר) הוא מסכים עם הערך המשוער (53 ננומטר) מחושבת בהתבסס על (רגילים n o = 1.53)32 ויוצא דופן (ne = 1.71)32 מדדי השבירה של 5OCB. אפשרות זו מציינת כי המולקולות LC מיושרים homogeneously בתא אשר הושג פשוט על ידי שפשוף על פני המצע זכוכית ללא ההכוונה, ומאפשר תצפית ברורה של הספקטרום להדמיה וצבע בהיר.

כאשר מתח של +1.5 V היה מוחל על המכשיר LC, השתקפות הצבע משתנה באופן מיידי מכחול לירוק (485 nm, איור 2A-II ואיור 2B-II). היישומים הבאים של 0 V הביא ההתאוששות של הצבע הכחול הראשונית (467 nm, איור 2א-III , איור 2B-III). מחזור זה יכול לחזור פעמים רבות עם השפלה המינימלי של להדמיה (איור 2C) עקב הפרעה orientational של מולקולות LC אשר ניתן לתקן פשוט על-ידי החלת של הטיה. ניתוח כמותי חשף כי שינויי צבע קדימה ואחורה הושלמו רק 0.4 s ו- 2.7 s, בהתאמה, בהתבסס על השינוי 90% להדמיה-510 ננומטר (איור 2D). הוא ציין כי עד כה המהירה בתגובה היא זו cholesteric כולשהו LC, הנמוך ב מבצע מתח בין אלה תוכננו להיות מונעים חשמלית24,25,26,27 ,28,29,30,31,33,34.

אנחנו גם המציא תא עם אלקטרודה איטו בדוגמת עם דמות של "UT" באמצעות FcD-מסומם (3.1 מול %) LC cholesteric המכיל EMIm-OTf (מול 3.0%). לסירוגין היישום של +1.5 V ו- 0 V הכין למצמץ (איור 3).

Figure 1
איור 1 : המבנה הכימי של dopant כיראלי חמצון-חיזור מגיב Fc D והמנגנון ההשתקפות צבע שינוי. (A, B) מבנה כימי של FcD ומחמצנים שלו בצורת FcD+. הסליל גובה הצליל P של LC cholesteric כגון 5OCB, FcD הופך יותר על חמצון של FcD אשר גורם להורדת של הסליל שלו מפותלת כוח βמ'. (ג) איור של המנגנון של אפנון אלקטרוכימי של הצבע השתקפות. הותאם באישור ג'יי אני בכימיה מספר הביטוח הלאומי 14010946-10949 (2018). זכויות יוצרים 2018 אמריקאי כימית בחברה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 2
איור 2 : התגובה החשמלית של הצבע השתקפות של המכשיר LC cholesteric. (א) והתמונות להדמיה ספקטרום (B) של קבוצת הכדורגלD-מסומם (3.1 מול %) LC התקן המכיל 3.0% מול EMIm-OTf ב 5OCB במצבו הראשוני (I), לאחר היישום של +1.5 V עבור 4 s (II), ואת היישומים הבאים של 0 V עבור 8 s (II) ב 37 º C. (C) לשינויים להדמיה של המכשיר LC-510 ננומטר על מיתוג של מתח המופעל בין +1.5 ל- 0 (D) בפרטי להדמיה שינוי של המכשיר LC-510 ננומטר. הותאם באישור ג'יי אני בכימיה מספר הביטוח הלאומי 14010946-10949 (2018). זכויות יוצרים 2018 אמריקאי כימית בחברה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 3
איור 3 : התקן התצוגה אב-טיפוס. תא בדוגמת איטו המכיל FcD- ו EMIm-OTf-מסטול LC cholesteric עם יחס סימום של 3.1 ו 3.0 mol %, בהתאמה. התא יכולה למצמץ את דמותו של "UT" על ידי מיתוג את מתח המופעל בין +1.5 ל- 0 V לסירוגין. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

על היישום של +1.5 V לפסגה איטו אלקטרודה (איור 1C), FcD עובר חמצון תגובה ליצירת FcD+. כמו הכוח ומפותלים הסליל של FcD+ (101 מיקרומטר-1, איור 1B) הוא נמוך יותר מזה של FcD (מיקרומטר 116-1, איור 1א')19, בריף הסליל של LC cholesteric הופכת להיות יותר, וכך עובר הגל השתקפות לאזור אורך גל ארוך יותר מ 467 nm 485 ננומטר. מבוסס על כוח פיתול לוליינית, ניתן לחשב את היחס בין FcD ו- FcD+ בתערובת LC באיזה מצב נייח להיות 71:29. אם כל FcD בתערובת LC תחמוצת לטופס FcD+, אורך הגל ההשתקפות צריכה להיות 536 nm, וזה הרבה יותר מזה שנצפה עבור ההתקן LC. הסיבה שער ההמרה נמוך היא ככל הנראה בגלל המופע של תגובה הפוכה (הפחתה של FcD+) מתרחש הממשק של התערובת LC, הסרט PEDOT+ (איור 1C). היישום של מתח גבוה המושרה טווח רחב של משמרת צבע19. לדוגמה, כאשר אנו מיישמים +2.5 V, שינוי הצבע היה משמעותי יותר (623 ננומטר, כתום). עם זאת, שינוי צבע זה לא היה הפיך. כאשר לקחנו voltammogram מחזורית (CV) של קבוצת הכדורגלD, הפוטנציאל חצי-גל מופיע +0.61 V שיא בלתי הפיך מופיע +2.2 V19. לכן, המתח נהיגה המתאים צריך להיות בין +0.61 לבין +2.2 V.

התפקיד של הסרט מורכב poly(3,4-ethylenedioxythiophene) -co-פולי (אתילן גליקול) מסטול עם פרכלורט35 (PEDOT+) הוא כמה חמצון-חיזור המקבלות את האלקטרון מ FcD כדי לפצות תשלום. למעשה, ניתן להבחין הירידה להדמיה ב בסביבות 600 nm (איור 2B-II), אשר מאפיינת עבור PEDOT+מופחת36. אם אינך משתמש הסרט PEDOT+ , ללא שינוי צבע השתקפות התקיים תחת תנאי מתח באותו19. שימו לב כי סרט של PEDOT/PSS37, לאחד נגזרות PEDOT הפופולרי ביותר, אינה מתאימה עבור התקן זה כמו השתקפות הצבע משתנה בהדרגה ללא יישום מתח. . זה ככל הנראה בגלל תגובה כלשהי בלתי הפיך בין FcD ו- PSS מאוד חומצי.

הזמן אפנון צבע עבור התקן זה הוא 0.4 s ו- 2.7 s ובכך את מהירות התגובה הוא 45 ננומטר/s ו- 7 nm/s שינויי הצבע קדימה ואחורה, בהתאמה. המהירות הממוצעת היא 26 nm/s. . זה unprecedentedly מהר בין אחר חשמלית צבע השנתיים cholesteric modulable. בשנת 2010, באנינג, המחברים דיווחו27 electromechanically tunable cholesteric LC התקן הצבע שיכולים לשנות את ההשתקפות הצבעים s 3-5. בטווח גלוי, המהירות אפנון צבע יכול להיות מחושבת ~ 17 nm/s. אין דוגמה26,29,30,31,33,האחרות34 דווח תעלה על מהירות זו לפני המחקר שלנו19. הוא גם ציין כי המתח של 1.5 V הדרושה של אפנון צבע את ההתקן באופן משמעותי נמוכה לעומת אלה שדווחה בעבר24,25,26,27, 28 כפי שהם נדרשים בדרך כלל מעל 40 V.

הראו הפרוטוקול עבור הזיוף של רעיוני cholesteric LC התקן תצוגה המכיל FcD-מסטול LC כמו מרכיב פעיל. . זאת הדוגמה הראשונה עבור LC cholesteric שיכולים לשנות את צבעו ההשתקפות על יישום של מתח נמוך כמו 1.5 V בתנאים מתח זה השתקפות שינוי הצבע מתרחש במסגרת 0.4 s, אשר גם הוא מהירות חסרת תקדים. בעבר, אפנון צבע ההשתקפות של השנתיים cholesteric ניתן להשגה רק על-ידי החלת מתח גבוה (בדרך כלל מעל 40 V). מתודולוגיה זו, מצד שני, יכול לווסת את הצבע השתקפות אפילו על-ידי שימוש רגיל 1.5 V יבש-סוללת. התקן התצוגה cholesteric מבוססת על LC זה לסלול את הדרך לפיתוח של הדור הבא מציג רעיוני.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

אין לנו לחשוף.

Acknowledgments

אנו מודים ד ר טאג'ימה Keisuke ממרכז RIKEN על המדע עניין מתהווים לדיונים יקרי ערך. חלק של עבודה זו נערך מתקדם אפיון ננוטכנולוגיה מצע באוניברסיטת טוקיו, נתמך על ידי משרד החינוך, תרבות, ספורט, מדע, טכנולוגיה (MEXT), יפן. עבודה זו מבחינה כלכלית נתמך על ידי מענק הסיוע JSPS עבור מדעי למחקר (S) (18H 05260) על "חומרים חדשניים תפקודי מבוסס על מדע מולקולרית פנים סולם רב" Y.I. עוזר ההוראה היא אסירת תודה על מענק הסיוע JSPS עבור אתגר מחקר גישוש (16K 14062). עליה תודה לאחווה מדען צעיר JSPS.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Chandrasekhar, S. Liquid Crystals. , Cambridge University Press. Cambridge. (1992).
  2. Blinov, L. M., Chigrinov, V. G. Electrooptic Effects in Liquid Crystal Materials. , Springer-Verlag. New York. (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. , John Wiley & Sons Ltd. Chichester. (2008).
  21. Togni, A., Hayashi, T. Ferrocenes: Homogeneous Catalysis, Organic Synthesis, Materials Science. , VCH Verlagsgesellschaft. Weinheim. (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

כימיה גיליון 144 גביש נוזלי Cholesteric dopant כיראלי תגובת חמצון-חיזור תצוגה רעיוני צבע מבניים אלקטרוכימיה
אלקטרוכימי Cholesteric נוזל גבישי התקן עבור אפנון מהירה וצבע מתח נמוך
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Tokunaga, S., Zeng, M., Itoh, Y.,… More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter