Flüssigkristalle
Einführung - Was sind flüssige Kristalle?
Auf den ersten Blick erscheint der Begriff Flüssigkristalle paradox. Wir haben uns an die üblichen Aggregatzustände oder Phasen - fest, flüssig, gasförmig - gewöhnt, so daß nicht unmittelbar einsichtig ist, wie eine Substanz gleichzeitig flüssig und kristallin (also fest) sein soll. Das ist bei Flüssigkristallen auch keineswegs der Fall, selbst wenn der Name das vielleicht vermuten lassen könnte. Vielmehr bilden Flüssigkristalle flüssigkristalline Phasen, die typische Eigenschaften von Flüssigkeiten mit denen von Kristallen vereinigen. Die beiden offensichtlichsten Charakteristika hierbei sind a) die Fließfähigkeit, wie sie in Flüssigkeiten auftritt und b) die Richtungsabhängigkeit physikalischer Eigenschaften, die so genannte Anisotropie, die aus Kristallen bekannt ist. Die kürzeste Definition eines Flüssigkristalls ist deshalb die eines anisotropen Fluids.
Aus naturwissenschaftlicher Sicht ist das originäre Unterscheidungskriterium verschiedener Phasen, deren Symmetrie und damit auch, wesentlich anschaulicher, deren Ordnung. In der verbreitetesten Unterkategorie der Flüssigkristalle, den thermotropen (Phasenübergänge werden durch eine Änderung der Temperatur hervorgerufen) kalamitischen (stäbchenförmigen) Flüssigkristallen, über die ich im Folgenden ausschließlich schreiben werde, befinden sich die (ggf. verschiedenen) flüssigkristallinen Phasen in einem Temperaturbereich zwischen der flüssigen und der kristallinen Phase. Daher werden Flüssigkristallphasen häufig auch als Mesophasen (mesos: griech. mittig) bezeichnet. Auch Ihr "Ordnungsgrad" liegt zwischen dem einer Flüssigkeit und dem einer kristallinen Phase.
Ordnung in Flüssigkeiten, Flüssigkristallen und Kristallen
In Flüssigkeiten besitzen Moleküle keinerlei Fernordnung, mit anderen Worten: in einer Flüssigkeit sind die Ausrichtungen und Schwerpunkte der Moleküle (sieht man einmal von einer Nahordnung ab) statistisch verteilt. Kristalline Substanzen weisen in der Regel eine sehr langreichweitige dreidimensionale Positionsfernordnung auf, so daß theoretisch die Position eines jeden Atoms in einem Kristall vorgesagt werden kann, sofern die Elementarzelle des Kristalls bekannt ist. Bis auf kubische Kristallsysteme (hier ist die Positionsfernordnung in allen drei Raumrichtungen gleich) führt diese Positionsfernordnug zur oben beschriebenen Anisotropie der physikalischen Eigenschaften. Die verschiedenen flüssigkristallinen Phasen besitzen unterschiedliche Arten von Fernordnung. Hierbei unterscheidet man Orientierungsfernordnung, Positionsfernordung (ein- und zweidimensional) und Bindungsorientierungsfernordnung. Orientierungs- und eindimensionale Positionsfernordnung seien am folgenden Beispiel ausgewählter Phasen thermotroper, kalamitischer Flüssigkristalle beschrieben.
Nematische und smektische Phasen
Die technisch mit Abstand wichtigste Flüssigkristallphase ist, aufgrund Ihres Einsatzes in nahezu jedem LCD (liquid crystal display), die sogenannte nematische Phase. Hier besitzen die Moleküle eine Orientierungsfernordnung. Das bedeutet, daß bei anisotropen Molekülen die Vorzugsrichtung (beispielsweise bei kalamitischen Molekülen die lange Molekülachse) geordnet ist. Hier bleibt festzustellen, daß der Ordnungsgrad in Flüssigkristallen grundsätzlich nie perfekt ist, wie das in Kristallen, abgesehen von Defekten und Fehlstellen, durchaus vorkommt. In nematischen Phasen besitzen die Moleküle lediglich eine Vorzugsrichtung, den so genannten Direktor. Eine schematische Darstellung der Molekülanordnung in nematischen Phasen ist in Abbildung 1 gegeben.
Meine Forschung im weiten Feld der Flüssigkristalle ist hauptsächlich auf eine weitere Gruppe von Phasen interessanter Eigenschaften, auf die so genannten smektischen Phasen fokussiert. Hier kommt zur ebenfalls vorhandenen Orientierungsfernordnung noch eine eindimensionale Positionsfernordnung hinzu. Das bedeutet nichts anderes, als daß die Schwerpunkte der Moleküle solcher Phasen in einer Raumrichtung geordnet sind. Somit kommt es in smektischen Phasen zur Ausbildung einer Schichtstruktur, welches schematisch in Abbildung 2 dargestellt ist. Man unterscheidet, je nach Symmetrie, verschiedene smektische Phasen, die als smektisch A, B, C,... bezeichnet werden.
Abb.1 (links): Schematische Darstellung der Molekülanordnung in einer nematischen Phase. Die lange Molekülachse besitzt eine Vorzugsrichtung, den Direktor n.
Abb.2 (rechts): Schematische Darstellung der Molekülanordnung in einer smektischen A - Phase. Zusätzlich zur Orientierungsordnung, besitzen smektische Phasen eine eindimensionale Positionsfernordnung, die zur Ausbildung einer Schichtstruktur führt.
Dies soll vorerst eine sehr kurze und einfach gehaltene Einleitung über Flüssigkristalle gewesen sein. Sie ist weit davon entfernt, vollständig zu sein, lediglich ein kleiner Kratzer an der Oberfläche eines riesengroßen und interessanten Forschungsfeldes. Ich habe vor, diese Einleitung irgendwann ein wenig zu erweitern und zu verbessern, vor allem auch durch aussagekräftige Graphiken, denn ein Bild sagt oft mehr als tausend Worte.
Wer jedoch bereits jetzt an mehr Informationen zum Thema interessiert ist, kann sich entweder die Einleitung meiner Diplomarbeit auf der nächsten Seite durchlesen oder sich das hervorragende Online - Tutorial der Liquid Crystal Group der Chalmers University of Technology, Göteborg anschauen.
Schöne Texturphotos aus dem Polarisationsmikroskop kann ich leider ebenfalls nicht anbieten, um die ästhetische Seite der Flüssigkristallforschung zu beleuchten. Hier nur eine ganz kleine Auswahl an weniger spektakulären Beispielen:
