コレステリック液晶をテンプレート化した高分子センサーの感度の向上

Strain-enhanced sensitivity of polymeric sensors templated from cholesteric liquid crystals.

• Ozge Batir
• Erhan Bat
• Emre Bukusoglu

抄録

揮発性有機化合物（VOC）の検出は、人体に有害な影響を及ぼすことから重要な課題である。本研究では、コレステリック液晶から作製した異方性高分子フィルムを用いて、100ppmオーダーの濃度のVOCの検出感度を向上させることを目的とした。感度を向上させるために、らせん軸に平行な方向に負のひずみを導入し、感度への影響を評価した。具体的には，反応性のある[4-(3-アクリロキシプロピルオキシ)安息香酸2-メチル-1,4-フェニレンエステル(RM257)]，非反応性のE7メソゲン，キラルドーパント[4-((1-メチルヘプチルオキシカルボニル)フェニル-4-ヘキシルオキシ安息香酸)(S-811)]のLC混合物を用いて，曲面ウェッジセルを用いてプログラムされた歪プロファイルを有するCLCテンプレート化重合体膜を合成し，種々のトルエン蒸気濃度に対する応答性を測定した。得られた結果をもとに、フィルムの着色の変化から評価した空間応答をもとに、コレステリックピッチの負のひずみとセンサーの感度の関係を示した。その結果、負のひずみがセンサの感度を最大15倍まで向上させることがわかりました。さらに、1分以内の露光で90%の平衡応答が得られ、VOCの迅速な診断が可能となりました。センサーの可逆性についてのテストでは、CLCをテンプレート化した高分子フィルムは感度を大きく損なうことなく複数回の使用が可能であることが示された。

Detection of volatile organic compounds (VOCs) is an important issue due to their harmful impact on human health. In this study, we aimed at enhancing the sensitivity of the anisotropic polymeric films templated from cholesteric liquid crystals (CLCs) in the identification of VOCs at concentrations on the order of 100 ppm. To increase sensitivity, we introduced negative strain to the films in the direction parallel to the helical axis and evaluated its effect on the sensitivity. Specifically, we used LC mixtures of reactive [4-(3-acryloyoxypropyloxy)benzoic acid 2-methyl-1,4-phenylene ester (RM257)], nonreactive E7 mesogen and chiral dopant [4-((1-methylheptyloxycarbonyl)phenyl-4-hexyloxybenzoate) (S-811)] to synthesize CLC-templated polymeric films with programmed strain profiles using a curved wedge cell, and measured their response against a range of toluene vapor concentrations. Based on the obtained results, we demonstrated a relationship between the negative strain in the cholesteric pitch and the sensitivity of the sensor based on spacial responses evaluated from the change in coloring of the film. Our results showed that negative strain helps to increase the sensitivity of the sensors up to 15 times compared to their unstrained counterparts. Moreover, 90% of the equilibrium response is achieved in less than one minute of exposure which offers rapid diagnosis of VOCs. Our tests for the reversibility of the sensors showed that the CLC-templated polymeric films can be used multiple times without a significant loss of sensitivity.