Βιο -οργανικές Νανοδομές

1. Βιο-οργανικές Νανοδομές Σαπουντζής Αντώνης (AM:186) Pigment-based tricolor ink particles via mini-emulsion polymerization for chromatic electrophoretic displays Ting Wen, XianweiMeng, Zhengyuan Li, Jun Ren and Fangqiong Tang Journal of Materials Chemistry 25th June 2010

2. Τι είναι η electrophoreticink display(EPD)? Εισαγωγή Είναι οθόνη προβολής σχεδιασμένη να μιμητέ την εμφάνιση του μελανιού στο χαρτί. Αντίθετα με την κλασική οθόνη υγρών κρυστάλλων, που χρησιμοποιεί οπίσθιο φωτισμό στα pixelτης, η οθόνη ηλεκτρονικού χαρτιού ανακλά το φως όπως μια κόλλα χαρτιού. Η οθόνη αυτή είναι ικανή να απεικονίσει κείμενα και εικόνες χωρίς την παραμικρή κατανάλωση ρεύματος

3. Πως λειτουργούν οι EPDs? Οι οθόνες αυτές εμφανίζουν εικόνες και κείμενα, αναδιατάσσοντας φορτισμένα χρωματισμένα σωματίδια. Οι τωρινές κατασκευές αποτελούνται από μικρές κινούμενες φορτισμένες σφαίρες οι οποίες βρίσκονται μέσα σε σταθερή κάψουλα μαζί με διάφανο υγρό . Κάθε κάψουλα είναι ένα pixel. 1.Λεπτό προστατευτικό φιλμ 2. πάνω ηλεκτρόδιο (λεπτό διάφανο φιλμ) 3.διαφανής κάψουλες. 4.θετικά φορτισμένα σωματίδια λευκού χρώματος. 5.αρνητικά φορτισμένα σωματίδια μαύρου χρώματος. 6. διάφανο υγρό. 7. κάτω ηλεκτρόδιο (λεπτό φιλμ) 8.υποστωμα συγκράτησης. 9.φως. 10.λευκό. 11.μαυρο

4. Περίληψη Η ταυτοποίηση των σωματιδίων εγχρώμου μελανιού , με χαρακτηριστικά την καλή σταθερότητα στο φως ,καλή αντανάκλαση χρώματος στο φως, στενή κατανομή και μεγάλη επιφανειακή πυκνότητα φορτίου, είναι πολύ σημαντική. Η υπάρχουσες εφαρμογές αναφέρονται σε συνδυασμό φίλτρων χρώματος (RGB) καιτης ασπρόμαυρης ηλεκτροφορετικής οθόνης με μειονέκτημα ότι φυλακίζουν πάνω από το 70% του ανακλώμενου φωτός με αποτέλεσμα να έχουμε μειωμένη αντίθεση και φωτεινότητα (το μαύρο φαίνεται σαν ελαφριά απόχρωση του γρι) Μία εναλλακτική λύση είναι παρασκευή 3-χρωμου (RGB) ηλεκτρονικού μελανιού μέσω πολυμερισμού μίνι-γαλακτώματος. Το πλεονέκτημα της μεθόδου αυτής είναι η οθόνη έχει αυξημένη αντίθεση, φωτεινότητα , ευκρίνεια, μεγαλύτερο χρόνο ζωής.

5. Πολυμερισμός Γαλακτώματος Σε μία φιάλη αντίδρασης υπάρχει ο διαλύτης και μέσα σε αυτό είναι διεσπαρμένες σταγόνες μονομερούς. Το μονομερές είναι αδιάλυτο στο μέτρο διασποράς. Για την σταθεροποίηση των σταγόνων του μονομερούς προστίθεται ο σταθεροποιητής ο οποίος αποτελείται από επιφανιοδραστικά μόρια. Ο σταθεροποιητής λόγο του υδρόφιλου κομματιού, είναι υδατοδιαλυτός. Η σταθεροποίηση που επιτυγχάνουμε είναι ηλεκτροστατική. Έτσι έχουμε άπωση του ιόντος από τα όμοια του που βρίσκονται σε άλλες σταγόνες σταθεροποιημένου μονομερούς με αποτέλεσμα την επίτευξη της διασποράς του μονομερούς στο μέσο(διαλύτης). Στην συνέχεια προστίθεται ο εκκινητής, ο οποίος είναι διαλυτός στο μέσο διασποράς. Λόγο της εντροπίας του συστήματος(ελάχιστη διαλυτότητα) κάποια μόρια του μονομερούς υπάρχουν στο νερό. Ξεκινά η θέρμανση και ο εκκινητής διασπάται και αντιδρά με αυτά τα ελάχιστα μόρια που βρίσκονται στο νερό σχηματίζοντας ολιγομερή, τα οποία είναι πολύ υδρόφοβα με αποτέλεσμα να πηγαίνουν στα μικκύλια σταθεροποιητή(υπάρχει σε περίσσια) με τα μονομερή.  Ο τερματισμός σταματάει όταν τελειώσει το μονομερές από όλες τις φάσεις(στις μεγάλες σταγόνες, στο νερό ,στα μικκύλια) . Άρα αρχικά ενώ υπάρχουν μεγάλες σταγόνες μονομερούς , τελικά έχουμε πολλές σφαίρες πολυμερούς και οι σταγόνες του μονομερούς είναι πολύ μικρές ή δεν υπάρχουν(αν έχει καταναλωθεί όλο το μονομερές).

6. Σταθεροποιητής Ως Σταθεροποιητής χρησιμοποιήθηκε το Sodium dodecylbenzenesulfonate(SDBS) Υδρόφοβο μέρος Υδρόφιλο μέρος Ανήκει στην κατηγορία των αμφίφυλων μορίων. Αποτελούνται από ένα υδρόφοβο και ένα υδρόφιλο κομμάτι. Τα μόρια αυτά μειώνουν την επιφανειακή τάση ενός υγρού, ευνοώντας την διασπορά, μειώνοντας την διεπιφανιακή τάση μεταξύ του μονομερούς και του μέσου διασποράς. Η επιλογή του συγκεκριμένου μορίου είναι ότι έχει μεγάλη υδρόφοβη ομάδα και μεγάλη στερική επίδραση με αποτέλεσμα τα μικκύλια να είναι αρκετά μεγάλα έτσι ώστε να παγιδεύσουν τις χρωστικές.

7. Μέθοδοι Χαρακτηρισμού • Transmission electron microscope (TEM) • Μορφολογικά χαρακτηριστικά των δειγμάτων • Scanning electron microscope (SEM) • Fourier transform infrared spectrometry (FTIR) Σύσταση των δειγμάτων

8. Χαρακτηρισμός μεγέθους Στο (a) παρουσιάζεται η επίδραση της συγκέντρωσης του σταθεροποιητή σε σχέση με το μέγεθος του σωματιδίου. Όσο μεγαλύτερη ποσότητα σταθεροποιητή υπάρχει στο διάλυμα, τόσο μικρότερα σωματίδια έχουμε. Αυτό συμβαίνει επειδή η αυξημένη συγκέντρωση του σταθεροποιητή προσφέρει περισσότερες περιοχές σχηματισμού με αποτέλεσμα μικρότερα σωματίδια Στο (b) παρουσιάζεται η επίδραση της συγκέντρωσης της χρωστικής σε σχέση με το μέγεθος του σωματιδίου. Όσο μεγαλύτερη ποσότητα χρωστικής υπάρχει στο διάλυμα τόσο με μεγαλύτερα σωματίδια έχουμε (με συγκέντρωση σταθεροποιητή 0,6 W.T%). Αυτό συμβαίνει επειδή η χρωστικής με σταθερή ποσότητα σταθεροποιητή έχει μικρότερη επιφάνια ανά όγκο αν είναι μεγάλες οι σταγόνες .

9. Οπτικό φάσμα Στις εικόνες (a)-(c) παρατηρούμε τα σωματίδια του κάθε χρώματος με την μικροσκοπία SEM Στις εικόνες (d)-(f) εμφανίζονται τα φάσματα ορατού φωτός. Η συνεχόμενη καμπύλη αναφέρεται στα σωματίδια, ενώ η διακεκομμένη στις αντίστοιχες χρωστικές. Παρατηρούμε ότι εμφανίζουν κορυφές στα ίδια μήκη κύματος αλλά με μικρότερη ανάκλαση. Στις εικόνες (g)-(i) εμφανίζονται τα σωματίδια σε διηλεκτρικό διαλύτη με οπτικό συντελεστή διάθλασης κοντά σε αυτό του πολυστυρενίου.

10. FTIR Τα φάσματα (a)-(c) είναι από τις χρωστικές. Τα (d)-(f) είναι από τα σωματίδια. Παρατηρούμε ότι τα φάσματα των σωματιδίων είναι σχεδόν όμοια σε αντίθεση με των χρωστικών που διαφέρουν ανάλογα το χρώμα Οι κορυφές στα 1454 & 1495 cm-1αναφέρονται στη δόνηση τωνδεσμών C=Cστους δακτυλίους του πολυστυρενίου Οι κορυφές στα 2927 & 3028 cm-1 αναφέρονται στη δόνηση του δεσμού C-H μεταξύ άλκυλο και φένιλο δακτυλίου, το οποίο δείχνει την κάλυψη των χρωστικών από το πολυστυρένιο. Η κορυφή στα 695cm-1αναφέρεται στην δόνηση του θειικού άλατος (O=S=O) το οποίο υποδηλώνει την παρουσία ομάδων SO4-στην επιφάνεια των σωματιδίων.

11. Zeta δυναμικό Όλα τα σωματίδια εμφάνισαν δυναμικό μεταξύ -40~-50 mV ανεξάρτητα ότι η κάθε χρωστική έχει διαφορετικό φορτίο. Ο λόγος είναι η παρουσία ομάδων SO4- στην επιφάνεια του σωματιδίου προσφέροντας υψηλό αρνητικό φορτίο.

12. Σταθερότητα σε Υπεριώδη ακτινοβολία Είναι γνωστό ότι η υπεριώδης είναι καταστροφική για τα οργανικά υλικά. Έγινε σύγκριση των σωματιδίων με εμπορικά διαθέσιμα σωματίδια βασισμένα σε έγχρωμα μελάνια . Στα διαγράμματα παρατηρούμε την μείωση της ανάκλασης σε σχέση με την ώρα έκθεσης σε υπεριώδη ακτινοβολία. Το ποσοστό μείωσης της ανακλαστικότητας υπολογίστηκε με βάση τον παρακάτω τύπο: Όπου το R0 είναι η ανάκλαση πριν από την έκθεση, Rendείναι η ανάκλαση στο τέλος της έκθεσης στην ακτινοβολία, Rnείναι η ανάκλαση σε χρόνο nκατά την διάρκεια του πειράματος.

13. Εφαρμογή των σωματιδίων σε οθόνη Κατασκευάστηκε οθόνη στην όποια χρησιμοποιήθηκαν τα σωματίδια αυτά . Στο (a) παρατηρούμε την οθόνη χωρίς επίδραση ηλεκτρικού πεδίου. Στο (b) παρατηρούμε την οθόνη με επίδραση ηλεκτρικού πεδίου Στο (c) παρατηρούμε μια ασπρόμαυρη οθόνη σε μεγάλη μεγέθυνση Στο (d) παρατηρούμε την έγχρωμη(με φίλτρο RGB)οθόνη σε μεγέθυνση (c) (d)

14. Συμπεράσματα • Έγινε παρασκευή των σωματιδίων με χρήση οργανικών χρωστικών μέσω πολυμερισμού γαλακτώματος. • Τα σωματίδια είχαν ζωηρά χρώματα, στενή κατανομή , υψηλή επιφανειακή πυκνότητα φορτίου και σταθερότητα σε φως. • Το μέγεθος των σωματιδίων κυμαίνεται μεταξύ 160-220nm , ελεγχόταν μέσω της ποσότητας σταθεροποιητή και χρωστικών. • Το φάσμα ανάκλασης μας έδειξε ότι η αποχρώσεις των σωματιδίων είναι ίδιες με των χρωστικών .

15. Βιβλιογραφία • http://en.wikipedia.org/wiki/Electronic_paper • http://en.wikipedia.org/wiki/E_Ink • http://en.wikipedia.org/wiki/Emulsion_polymerization • http://en.wikipedia.org/wiki/Surfactant • http://electronics.howstuffworks.com/gadgets/high-tech-gadgets/e-ink.htm • Εγχειρίδιο “Εργαστηριακές ασκήσεις σύνθεσης και χαρακτηρισμού χαλαρών υλικών” . Μ.Βαμβακάκη, Σ.Παρούτη, Κ.Χρυσοπούλου . • Παναγιώτου Κ., Επιστήμη και Τεχνολογία Πολυμερών, Εκδόσεις Πήγασος 2000, Θεσσαλονίκη 1996

16. Ευχαριστώ πολύ!