Flüssigkristall - Liquid crystal

Schlieren Textur der Flüssigkristall nematischen Phase

Flüssigkristallen (LCs) ist ein Zustand der Materie , die Eigenschaften zwischen denen von konventionellen hat Flüssigkeiten und diejenigen von festen Kristallen . Ein Flüssigkristall kann beispielsweise wie eine Flüssigkeit fließen, aber seine Moleküle können kristallartig ausgerichtet sein. Es gibt viele verschiedene Arten von Flüssigkristallphasen , die sich durch ihre unterschiedlichen unterschieden werden können optische Eigenschaften (wie Texturen ). Die kontrastierenden Bereiche in den Texturen entsprechen Domänen, in denen die Flüssigkristallmoleküle in verschiedene Richtungen ausgerichtet sind. Innerhalb einer Domäne sind die Moleküle jedoch gut geordnet. LC-Materialien befinden sich möglicherweise nicht immer in einem flüssigkristallinen Aggregatzustand (genauso wie Wasser in Eis oder Wasserdampf umgewandelt werden kann).

Flüssigkristalle lassen sich in thermotrope , lyotrope und metallotrope Phasen einteilen. Thermotrope und lyotrope Flüssigkristalle bestehen hauptsächlich aus organischen Molekülen , obwohl auch einige Mineralien bekannt sind. Thermotrope LCs zeigen bei Temperaturänderung einen Phasenübergang in die Flüssigkristallphase. Lyotrope LCs zeigen Phasenübergänge als Funktion sowohl der Temperatur als auch der Konzentration der Flüssigkristallmoleküle in einem Lösungsmittel (typischerweise Wasser). Metallotrope LCs bestehen sowohl aus organischen als auch aus anorganischen Molekülen; ihr Flüssigkristallübergang hängt nicht nur von Temperatur und Konzentration ab, sondern auch vom anorganisch-organischen Zusammensetzungsverhältnis.

Beispiele für Flüssigkristalle finden sich sowohl in der Natur als auch in technischen Anwendungen. Weit verbreitete Flüssigkristallanzeigen verwenden Flüssigkristalle. Lyotrope flüssigkristalline Phasen sind in lebenden Systemen reichlich vorhanden, können aber auch in der Mineralwelt gefunden werden. Viele Proteine ​​und Zellmembranen sind beispielsweise Flüssigkristalle. Andere bekannte Beispiele für Flüssigkristalle sind Seifenlösungen und verschiedene verwandte Detergenzien sowie das Tabakmosaikvirus und einige Tone .

Geschichte

1888 untersuchte der österreichische botanische Physiologe Friedrich Reinitzer an der Karl-Ferdinands-Universität die physikalisch-chemischen Eigenschaften verschiedener Derivate des Cholesterins, die heute zur Stoffklasse der cholesterischen Flüssigkristalle gehören. Zuvor hatten andere Forscher beim Abkühlen von Cholesterin-Derivaten knapp über den Gefrierpunkt deutliche Farbeffekte beobachtet , aber nicht mit einem neuen Phänomen in Verbindung gebracht. Reinitzer stellte fest, dass Farbänderungen in einem Derivat von Cholesterylbenzoat nicht das auffälligste Merkmal waren.

Chemische Struktur von Cholesterylbenzoat Moleküle

Er fand , dass Cholesterylbenzoat nicht schmilzt in der gleichen Weise wie andere Verbindungen, hat aber zwei Schmelzpunkte . Bei 145,5 °C (293,9 °F) schmilzt es zu einer trüben Flüssigkeit, und bei 178,5 °C (353,3 °F) schmilzt es wieder und die trübe Flüssigkeit wird klar. Das Phänomen ist reversibel. Hilfesuchend bei einem Physiker, schrieb er am 14. März 1888 an Otto Lehmann , damals Privatdozent in Aachen . Sie tauschten Briefe und Muster aus. Lehmann untersuchte die dazwischenliegende trübe Flüssigkeit und berichtete von Kristalliten . Auch Reinitzers Wiener Kollege von Zepharovich wies darauf hin, dass das Zwischenprodukt „Flüssigkeit“ kristallin sei. Der Briefwechsel mit Lehmann endete am 24. April mit vielen unbeantworteten Fragen. Reinitzer präsentierte seine Ergebnisse mit Dank an Lehmann und von Zepharovich auf einer Sitzung der Wiener Chemischen Gesellschaft am 3. Mai 1888.

Zu dieser Zeit hatte Reinitzer drei wichtige Eigenschaften cholesterischer Flüssigkristalle (der Name wurde 1904 von Otto Lehmann geprägt) entdeckt und beschrieben: die Existenz von zwei Schmelzpunkten, die Reflexion von zirkular polarisiertem Licht und die Fähigkeit, die Polarisationsrichtung von hell.

Nach seiner zufälligen Entdeckung verfolgte Reinitzer das Studium der Flüssigkristalle nicht weiter. Die Forschung wurde von Lehmann fortgesetzt, der erkannte, dass er auf ein neues Phänomen gestoßen war und es untersuchen konnte: In seiner Postdoc-Zeit hatte er sich Kenntnisse in Kristallographie und Mikroskopie angeeignet. Lehmann begann eine systematische Studie, zuerst von Cholesterylbenzoat und dann von verwandten Verbindungen, die das Doppelschmelzphänomen zeigten. Er konnte Beobachtungen in polarisiertem Licht machen, und sein Mikroskop war mit einem Heiztisch (Probenhalter mit Heizung) ausgestattet, der Beobachtungen bei hohen Temperaturen ermöglichte. Die dazwischenliegende Trübungsphase hielt die Strömung deutlich aufrecht, aber andere Merkmale, insbesondere die Signatur unter dem Mikroskop, überzeugten Lehmann davon, dass es sich um einen Festkörper handelte. Ende August 1889 veröffentlichte er seine Ergebnisse in der Zeitschrift für Physikalische Chemie .

Otto Lehmann

Lehmanns Arbeit wurde von dem deutschen Chemiker Daniel Vorländer , der vom Beginn des 20. Flüssigkristalle waren jedoch bei Wissenschaftlern nicht beliebt und das Material blieb etwa 80 Jahre lang eine reine wissenschaftliche Kuriosität.

Nach dem Zweiten Weltkrieg wurde die Arbeit an der Synthese von Flüssigkristallen in universitären Forschungslabors in Europa wieder aufgenommen. George William Gray , ein bekannter Flüssigkristallforscher, begann Ende der 1940er Jahre in England mit der Untersuchung dieser Materialien. Seine Gruppe synthetisierte viele neue Materialien, die den flüssigkristallinen Zustand aufweisen, und entwickelte ein besseres Verständnis für das Design von Molekülen, die diesen Zustand aufweisen. Sein Buch Molecular Structure and the Properties of Liquid Crystals wurde zu einem Leitfaden zu diesem Thema. Einer der ersten US-Chemiker, der Flüssigkristalle untersuchte, war Glenn H. Brown, der 1953 an der University of Cincinnati und später an der Kent State University begann . 1965 organisierte er in Kent, Ohio, die erste internationale Konferenz über Flüssigkristalle, an der etwa 100 der weltweit führenden Flüssigkristallwissenschaftler teilnahmen. Diese Konferenz markierte den Beginn einer weltweiten Forschungsarbeit auf diesem Gebiet, die bald zur Entwicklung praktischer Anwendungen für diese einzigartigen Materialien führte.

Flüssigkristallmaterialien wurden ab 1962 in den RCA Laboratories zu einem Forschungsschwerpunkt bei der Entwicklung von elektronischen Flachbildschirmen . Als der Physikochemiker Richard Williams bei 125 °C ein elektrisches Feld an eine dünne Schicht eines nematischen Flüssigkristalls anlegte, beobachtete er die Bildung eines regelmäßigen Musters, das er Domänen nannte (heute als Williams-Domänen bekannt). Dies veranlasste seinen Kollegen George H. Heilmeier , an einem Flachbildschirm auf Flüssigkristallbasis zu forschen, der die in Fernsehgeräten verwendete Kathodenstrahl-Vakuumröhre ersetzen sollte. Aber der para-Azoxyanisol dass Williams und Heilmeier verwendet wird, zeigt den nematische Flüssigkristallzustand erst oberhalb 116 ° C, was es unpraktisch gemacht in einem kommerziellen Produkt anzeigen zu verwenden. Ein Material, das bei Raumtemperatur betrieben werden kann, war eindeutig erforderlich.

1966 entdeckten Joel E. Goldmacher und Joseph A. Castellano, Forschungschemiker in der Heilmeier-Gruppe am RCA, dass Mischungen, die ausschließlich aus nematischen Verbindungen bestehen, die sich nur in der Anzahl der Kohlenstoffatome in den endständigen Seitenketten unterscheiden, bei Raumtemperatur nematische Flüssigkeit ergeben können Kristalle. Eine ternäre Mischung von Schiffschen Basenverbindungen führte zu einem Material mit einem nematischen Bereich von 22–105 °C. Durch den Betrieb bei Raumtemperatur konnte das erste praktische Anzeigegerät realisiert werden. Das Team fuhr dann fort, zahlreiche Mischungen nematischer Verbindungen herzustellen, von denen viele viel niedrigere Schmelzpunkte aufwiesen. Diese Technik des Mischens nematischer Verbindungen, um einen breiten Betriebstemperaturbereich zu erhalten , wurde schließlich zum Industriestandard und wird immer noch verwendet, um Materialien für spezifische Anwendungen zuzuschneiden.

Chemische Struktur des Moleküls N-(4-Methoxybenzyliden)-4-butylanilin (MBBA)

1969 gelang es Hans Kelker, eine Substanz zu synthetisieren, die bei Raumtemperatur eine nematische Phase aufwies , MBBA , die zu den beliebtesten Gegenständen der Flüssigkristallforschung zählt. Der nächste Schritt zur Kommerzialisierung von Flüssigkristallanzeigen war die Synthese weiterer chemisch stabiler Substanzen (Cyanobiphenyle) mit niedrigen Schmelztemperaturen durch George Gray . Diese Zusammenarbeit mit Ken Harrison und dem UK MOD ( RRE Malvern ) im Jahr 1973 führte zur Entwicklung neuer Materialien, die zu einer schnellen Einführung von kleinflächigen LCDs in elektronischen Produkten führten.

Diese Moleküle sind stäbchenförmig, einige wurden im Labor hergestellt und andere erscheinen spontan in der Natur. Seitdem wurden zwei neue Arten von LC-Molekülen synthetisiert: scheibenförmig (von Sivaramakrishna Chandrasekhar in Indien 1977) und kegel- oder schalenförmig (vorhergesagt von Lui Lam in China 1982 und synthetisiert in Europa 1985).

1991, als Flüssigkristalldisplays bereits etabliert waren, erhielt Pierre-Gilles de Gennes von der Université Paris-Sud den Nobelpreis für Physik "für die Entdeckung, dass Methoden zur Untersuchung von Ordnungsphänomenen in einfachen Systemen auf komplexere Formen verallgemeinert werden können". von Materie, insbesondere auf Flüssigkristalle und Polymere".

Design flüssigkristalliner Materialien

Von einer Vielzahl chemischer Verbindungen ist bekannt, dass sie eine oder mehrere flüssigkristalline Phasen aufweisen. Trotz erheblicher Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung weisen diese Moleküle einige Gemeinsamkeiten in den chemischen und physikalischen Eigenschaften auf. Es gibt drei Arten von thermotropen Flüssigkristallen: diskotische, konische (schüsselförmige) und stäbchenförmige Moleküle. Diskotics sind scheibenförmige Moleküle, die aus einem flachen Kern benachbarter aromatischer Ringe bestehen, während der Kern in einem konischen LC nicht flach ist, sondern wie eine Reisschüssel (ein dreidimensionales Objekt) geformt ist. Dies ermöglicht eine zweidimensionale kolumnare Ordnung sowohl für diskotische als auch für konische LCs. Stäbchenförmige Moleküle haben eine langgestreckte, anisotrope Geometrie, die eine bevorzugte Ausrichtung entlang einer Raumrichtung ermöglicht.

  • Die Molekülform sollte relativ dünn, flach oder konisch sein, insbesondere innerhalb starrer Molekülgerüste.
  • Die Moleküllänge sollte mindestens 1,3 nm betragen, was dem Vorhandensein langer Alkylgruppen auf vielen Flüssigkristallen bei Raumtemperatur entspricht.
  • Die Struktur sollte nicht verzweigt oder eckig sein, mit Ausnahme des konischen LC.
  • Ein niedriger Schmelzpunkt ist bevorzugt, um metastabile, monotrope flüssigkristalline Phasen zu vermeiden. Mesomorphes Verhalten bei niedrigen Temperaturen ist im Allgemeinen technologisch nützlicher, und Alkylendgruppen fördern dies.

Eine ausgedehnte, strukturell starre, stark anisotrope Form scheint das Hauptkriterium für flüssigkristallines Verhalten zu sein, weshalb viele flüssigkristalline Materialien auf Benzolringen basieren.

Flüssigkristallphasen

Die verschiedenen Flüssigkristallphasen ( Mesophasen genannt ) lassen sich durch die Art der Ordnung charakterisieren. Man kann die Positionsordnung (ob Moleküle in irgendeiner Art von geordnetem Gitter angeordnet sind) und Orientierungsordnung (ob Moleküle meistens in die gleiche Richtung zeigen) unterscheiden, und außerdem kann die Ordnung entweder kurzreichweitig sein (nur zwischen Molekülen nahe beieinander) oder weitreichend (ausgedehnt zu größeren, manchmal makroskopischen Dimensionen). Die meisten thermotropen LCs haben bei hoher Temperatur eine isotrope Phase. Das heißt, dass sie durch Erhitzen schließlich in eine konventionelle flüssige Phase getrieben werden, die durch zufällige und isotrope molekulare Ordnung (wenig bis keine Fernordnung) und flüssigkeitsähnliches Fließverhalten gekennzeichnet ist. Unter anderen Bedingungen (z. B. niedrigere Temperatur) könnte ein LC eine oder mehrere Phasen mit einer signifikanten anisotropen Orientierungsstruktur und einer Orientierungsordnung im Nahbereich bewohnen , während es immer noch die Fähigkeit zum Fließen besitzt.

Die Ordnung flüssigkristalliner Phasen ist auf molekularer Ebene umfangreich. Diese Ordnung reicht bis zur gesamten Domänengröße, die in der Größenordnung von Mikrometern liegen kann, aber normalerweise nicht bis in die makroskopische Skala, wie es bei klassischen kristallinen Festkörpern häufig der Fall ist . Einige Techniken, wie die Verwendung von Grenzen oder ein angelegtes elektrisches Feld , können jedoch verwendet werden, um eine einzelne geordnete Domäne in einer makroskopischen Flüssigkristallprobe zu erzwingen. Die Orientierungsordnung in einem Flüssigkristall kann sich nur entlang einer Dimension erstrecken , während das Material in den anderen beiden Richtungen im Wesentlichen ungeordnet ist.

Thermotrope Flüssigkristalle

Thermotrope Phasen sind solche, die in einem bestimmten Temperaturbereich auftreten. Wenn der Temperaturanstieg zu hoch ist, zerstört die thermische Bewegung die empfindliche kooperative Ordnung der LC-Phase und drückt das Material in eine konventionelle isotrope flüssige Phase. Bei zu niedriger Temperatur bilden die meisten LC-Materialien einen herkömmlichen Kristall. Viele thermotrope LCs weisen bei Temperaturänderung eine Vielzahl von Phasen auf. Beispielsweise kann ein bestimmter Typ von LC-Molekül ( Mesogen genannt ) beim Erhitzen verschiedene smektische Phasen aufweisen, gefolgt von der nematischen Phase und schließlich der isotropen Phase, wenn die Temperatur erhöht wird. Ein Beispiel für eine Verbindung mit thermotropem LC-Verhalten ist para-Azoxyanisol .

Nematische Phase

Ausrichtung in einer nematischen Phase
Phasenübergang zwischen einer nematischen (links) und smektischen A (rechts) Phase zwischen gekreuzten Polarisatoren beobachtet . Die schwarze Farbe entspricht isotropem Medium.

Eine der häufigsten LC-Phasen ist die nematische. Das Wort nematisch kommt aus dem Griechischen νήμα ( griechisch : nema ), was „Faden“ bedeutet. Dieser Begriff stammt von den fadenförmigen topologischen Defekten, die in der Nematik beobachtet werden, die formal als " Disklinationen " bezeichnet werden. Nematiken weisen auch sogenannte "Igel"-topologische Defekte auf. In einer nematischen Phase haben die kalamitischen oder stäbchenförmigen organischen Moleküle keine Positionsordnung, aber sie richten sich selbst aus, um eine weitreichende Richtungsordnung mit ihren langen Achsen ungefähr parallel zu haben. Somit können die Moleküle frei fließen und ihre Schwerpunktpositionen sind wie in einer Flüssigkeit zufällig verteilt, behalten jedoch ihre weitreichende Richtungsordnung bei. Die meisten Nematiken sind einachsig: Sie haben eine Achse (Directrix genannt), die länger und bevorzugt ist, während die anderen beiden gleichwertig sind (kann als Zylinder oder Stangen angenähert werden). Einige Flüssigkristalle sind jedoch biaxial nematisch , was bedeutet, dass sie sich zusätzlich zur Orientierung ihrer Längsachse auch entlang einer Nebenachse orientieren. Nematiken haben eine ähnliche Fließfähigkeit wie gewöhnliche (isotrope) Flüssigkeiten, können jedoch durch ein externes magnetisches oder elektrisches Feld leicht ausgerichtet werden. Ausgerichtete Nematiken haben die optischen Eigenschaften von einachsigen Kristallen und sind daher in Flüssigkristallanzeigen (LCD) äußerst nützlich .

Wissenschaftler haben entdeckt, dass sich Elektronen vereinigen können, um in hohen Magnetfeldern zusammenzufließen, um eine "elektronisch-nematische" Materieform zu erzeugen.

Smektische Phasen

Schema der Ausrichtung in den smektischen Phasen. Die smektische A-Phase (links) hat Moleküle, die in Schichten organisiert sind. In der smektischen C-Phase (rechts) sind die Moleküle innerhalb der Schichten gekippt.

Die smektischen Phasen, die bei niedrigeren Temperaturen als die nematischen vorkommen, bilden definierte Schichten, die ähnlich wie Seife übereinander gleiten können. Das Wort "smektisch" stammt vom lateinischen Wort "smecticus" ab, was Reinigung oder seifenähnliche Eigenschaften bedeutet. Die Smektik ist somit entlang einer Richtung positionsmäßig geordnet. In der smektischen A-Phase sind die Moleküle entlang der Schichtnormalen ausgerichtet, während sie in der smektischen C-Phase von dieser weggekippt sind. Diese Phasen sind innerhalb der Schichten flüssigkeitsartig. Es gibt viele verschiedene smektische Phasen, die alle durch unterschiedliche Arten und Grade der Positions- und Orientierungsordnung gekennzeichnet sind. Über organische Moleküle hinaus wurde berichtet, dass smektische Ordnung auch in kolloidalen Suspensionen von 2D-Materialien oder Nanoblättern auftritt.

Chirale Phasen oder verdrillte Nematik

Schema der Ordnung in chiralen Flüssigkristallphasen. Die chiral-nematische Phase (links), auch cholesterische Phase genannt, und die smektische C*-Phase (rechts).

Die chiral- nematische Phase weist Chiralität (Händigkeit) auf. Diese Phase wird oft als cholesterische Phase bezeichnet, da sie zuerst für Cholesterinderivate beobachtet wurde . Nur chirale Moleküle können eine solche Phase hervorrufen. Diese Phase weist eine Verdrehung der Moleküle senkrecht zum Direktor auf, wobei die Molekülachse parallel zum Direktor verläuft. Der endliche Verdrehungswinkel zwischen benachbarten Molekülen ist auf ihre asymmetrische Packung zurückzuführen, die zu einer chiralen Ordnung mit größerer Reichweite führt. In der smektischen C*-Phase (ein Sternchen bezeichnet eine chirale Phase) haben die Moleküle eine Positionsordnung in einer Schichtstruktur (wie in den anderen smektischen Phasen), wobei die Moleküle um einen endlichen Winkel gegenüber der Schichtnormalen geneigt sind. Die Chiralität induziert eine endliche azimutale Verdrehung von einer Schicht zur nächsten, wodurch eine spiralförmige Verdrehung der Molekülachse entlang der Schichtnormalen entsteht.

Chiral-nematische Phase; p bezieht sich auf die chirale Ganghöhe (siehe Text)

Die chirale Ganghöhe p bezieht sich auf die Distanz, über die die LC-Moleküle eine volle 360°-Verdrehung erfahren (beachten Sie jedoch, dass sich die Struktur der chiralen nematischen Phase jede halbe Ganghöhe wiederholt, da in dieser Phase Direktoren bei 0° und ±180 ° sind gleichwertig). Die Ganghöhe p ändert sich typischerweise, wenn die Temperatur geändert wird oder wenn andere Moleküle zum LC-Wirt hinzugefügt werden (ein achirales LC-Wirtsmaterial bildet eine chirale Phase, wenn es mit einem chiralen Material dotiert wird), wodurch die Ganghöhe eines gegebenen Materials verändert werden kann entsprechend abgestimmt. In einigen Flüssigkristallsystemen hat die Ganghöhe dieselbe Größenordnung wie die Wellenlänge des sichtbaren Lichts . Dies bewirkt , dass diese Systeme einzigartige optische Eigenschaften, wie zeigen Bragg - Reflexion und niedriger Ansprechschwelle Laseremission, und diese Eigenschaften werden in einer Vielzahl von optischen Anwendungen ausgenutzt. Bei Bragg-Reflexion ist nur die Reflexion niedrigster Ordnung zulässig, wenn das Licht entlang der Helixachse einfällt, während bei schrägem Einfall Reflexionen höherer Ordnung zugelassen werden. Cholesterische Flüssigkristalle weisen auch die einzigartige Eigenschaft auf, dass sie zirkular polarisiertes Licht reflektieren, wenn es entlang der Helixachse einfällt, und elliptisch polarisiert, wenn es schräg einfällt.

Eine planare Zelle, gefüllt mit einem achiralen LC-Wirt, dotiert mit einem optisch aktiven Tröger-Base-Analog, platziert zwischen einem Paar paralleler (A) und gekreuzter (B) linearer Polarisatoren. Diese dotierte mesogene Phase bildet selbstorganisierte helikale Überstrukturen, die bestimmte Lichtwellenlängen durch die gekreuzten Polarisatoren passieren lassen und eine bestimmte Lichtwellenlänge selektiv reflektiert.

Blaue Phasen sind Flüssigkristallphasen, die im Temperaturbereich zwischen einer chiralen nematischen Phase und einer isotropen flüssigen Phase auftreten. Blaue Phasen haben eine regelmäßige dreidimensionale kubische Struktur von Defekten mit Gitterperioden von mehreren hundert Nanometern und zeigen somit selektive Bragg-Reflexe im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts entsprechend dem kubischen Gitter . Es wurde 1981 theoretisch vorhergesagt, dass diese Phasen eine ikosaedrische Symmetrie ähnlich der Quasikristalle aufweisen können .

Obwohl blaue Phasen für schnelle Lichtmodulatoren oder abstimmbare photonische Kristalle von Interesse sind , existieren sie in einem sehr engen Temperaturbereich, normalerweise weniger als einige Kelvin . Kürzlich wurde die Stabilisierung blauer Phasen über einen Temperaturbereich von mehr als 60 K einschließlich Raumtemperatur (260–326 K) demonstriert. Bei Raumtemperatur stabilisierte blaue Phasen ermöglichen elektrooptisches Schalten mit Reaktionszeiten in der Größenordnung von 10 −4  s. Im Mai 2008 wurde das erste Blue Phase Mode LCD- Panel entwickelt.

Kristalle der blauen Phase, die eine periodische kubische Struktur mit einer Bandlücke im sichtbaren Wellenlängenbereich sind, können als photonische 3D-Kristalle betrachtet werden . Die Herstellung idealer Blauphasenkristalle in großen Volumina ist nach wie vor problematisch, da die hergestellten Kristalle meist polykristallin sind (Plättchenstruktur) oder die Einkristallgröße begrenzt ist (im Mikrometerbereich). Kürzlich wurden blaue Phasen, die als ideale photonische 3D-Kristalle in großen Volumina erhalten wurden, stabilisiert und mit verschiedenen kontrollierten Kristallgitterorientierungen hergestellt.

Diskotische Phasen

Scheibenförmige LC-Moleküle können sich schichtförmig ausrichten, die sogenannte diskotisch nematische Phase. Wenn die Scheiben zu Stapeln gepackt werden , wird die Phase als diskotisch säulenförmig bezeichnet . Die Spalten selbst können in rechteckige oder hexagonale Arrays organisiert sein. Auch chirale diskotische Phasen, ähnlich der chiralen nematischen Phase, sind bekannt.

Konische Phasen

Konische LC-Moleküle können wie in Diskotheken kolumnare Phasen bilden. Andere Phasen, wie unpolare nematische, polare nematische, Stringbean-, Donut- und Zwiebelphasen, wurden vorhergesagt. Konische Phasen, mit Ausnahme von unpolaren nematischen, sind polare Phasen.

Lyotrope Flüssigkristalle

Struktur eines lyotropen Flüssigkristalls. Die roten Köpfe der Tensidmoleküle sind mit Wasser in Kontakt, während die Schwänze in Öl (blau) getaucht sind: Doppelschicht (links) und Mizelle (rechts).

Ein lyotroper Flüssigkristall besteht aus zwei oder mehr Komponenten, die in bestimmten Konzentrationsbereichen flüssigkristalline Eigenschaften aufweisen. In den lyotropen Phasen füllen Lösungsmittelmoleküle den Raum um die Verbindungen, um dem System Fluidität zu verleihen . Im Gegensatz zu thermotropen Flüssigkristallen besitzen diese lyotropen Stoffe einen weiteren Konzentrationsfreiheitsgrad, der es ihnen ermöglicht, eine Vielzahl unterschiedlicher Phasen zu induzieren.

Eine Verbindung, die zwei nicht mischbare hydrophile und hydrophobe Teile innerhalb desselben Moleküls aufweist, wird als amphiphiles Molekül bezeichnet. Viele amphiphile Moleküle zeigen je nach Volumenbilanz zwischen hydrophilem Teil und hydrophobem Teil lyotrope flüssigkristalline Phasenfolgen. Diese Strukturen werden durch die Mikrophasensegregation zweier inkompatibler Komponenten im Nanometerbereich gebildet. Seife ist ein alltägliches Beispiel für einen lyotropen Flüssigkristall.

Der Gehalt an Wasser oder anderen Lösungsmittelmolekülen verändert die selbstorganisierten Strukturen. Bei sehr niedriger Amphiphilkonzentration werden die Moleküle zufällig ohne jede Ordnung dispergiert. Bei etwas höherer (aber immer noch niedriger) Konzentration lagern sich amphiphile Moleküle spontan zu Mizellen oder Vesikel zusammen . Dies geschieht, um den hydrophoben Schwanz des Amphiphils im Mizellenkern zu "verstecken", wodurch eine hydrophile (wasserlösliche) Oberfläche einer wässrigen Lösung ausgesetzt wird. Diese kugelförmigen Objekte ordnen sich jedoch nicht in Lösung. Bei höherer Konzentration werden die Baugruppen geordnet. Eine typische Phase ist eine hexagonal-säulenförmige Phase, in der die Amphiphile lange Zylinder (wieder mit einer hydrophilen Oberfläche) bilden, die sich zu einem ungefähr hexagonalen Gitter anordnen. Dies wird als mittlere Seifenphase bezeichnet. Bei noch höherer Konzentration kann sich eine lamellare Phase (reine Seifenphase) bilden, in der ausgedehnte Schichten von Amphiphilen durch dünne Wasserschichten getrennt sind. Bei einigen Systemen kann zwischen der hexagonalen und der lamellaren Phase eine kubische (auch viskose isotrope) Phase existieren, in der Kugeln gebildet werden, die ein dichtes kubisches Gitter erzeugen. Diese Kugeln können auch miteinander verbunden sein und eine bikontinuierliche kubische Phase bilden.

Die von Amphiphilen erzeugten Objekte sind normalerweise kugelförmig (wie im Fall von Mizellen), können aber auch scheibenförmig (bizellen), stäbchenförmig oder zweiachsig sein (alle drei Mizellenachsen sind unterschiedlich). Diese anisotropen selbstorganisierten Nanostrukturen können sich dann ähnlich wie thermotrope Flüssigkristalle selbst ordnen und großflächige Versionen aller thermotropen Phasen bilden (z. B. eine nematische Phase stäbchenförmiger Micellen).

Bei einigen Systemen werden bei hohen Konzentrationen inverse Phasen beobachtet. Das heißt, man kann eine inverse hexagonale säulenförmige Phase (Wassersäulen, die durch Amphiphile eingekapselt sind) oder eine inverse mizellare Phase (eine Flüssigkristallprobe mit kugelförmigen Wasserhohlräumen) erzeugen.

Ein allgemeiner Phasenverlauf, der von einer niedrigen zu einer hohen Amphiphilkonzentration reicht, ist:

Auch innerhalb derselben Phasen sind ihre selbstorganisierten Strukturen durch die Konzentration abstimmbar: So nehmen beispielsweise in lamellaren Phasen die Schichtabstände mit dem Lösungsmittelvolumen zu. Da lyotrope Flüssigkristalle auf einem subtilen Gleichgewicht intermolekularer Wechselwirkungen beruhen, ist es schwieriger, ihre Strukturen und Eigenschaften zu analysieren als die thermotroper Flüssigkristalle.

Ähnliche Phasen und Merkmale können in nicht mischbarem Diblock beobachtet werden Copolymere .

Metallotrope Flüssigkristalle

Flüssigkristallphasen können auch auf niedrigschmelzenden anorganischen Phasen wie ZnCl 2 basieren , die eine Struktur aus verknüpften Tetraedern aufweisen und leicht Gläser bilden. Die Zugabe langkettiger seifenähnlicher Moleküle führt zu einer Reihe neuer Phasen, die sowohl in Abhängigkeit vom anorganisch-organischen Zusammensetzungsverhältnis als auch von der Temperatur ein vielfältiges flüssigkristallines Verhalten zeigen. Diese Materialklasse wird metallotrop genannt.

Laboranalyse von Mesophasen

Thermotrope Mesophasen werden durch zwei Hauptmethoden nachgewiesen und charakterisiert. Die ursprüngliche Methode war die Verwendung der thermischen optischen Mikroskopie, bei der eine kleine Probe des Materials zwischen zwei gekreuzten Polarisatoren platziert wurde; die Probe wurde dann erhitzt und abgekühlt. Da die isotrope Phase die Polarisation des Lichts nicht wesentlich beeinflussen würde, würde sie sehr dunkel erscheinen, während die Kristall- und Flüssigkristallphase das Licht gleichmäßig polarisieren, was zu Helligkeits- und Farbverläufen führt. Diese Methode ermöglicht die Charakterisierung der jeweiligen Phase, da die verschiedenen Phasen durch ihre besondere Reihenfolge definiert sind, die beachtet werden muss. Die zweite Methode, die Differential Scanning Calorimetry (DSC), ermöglicht eine genauere Bestimmung von Phasenübergängen und Übergangsenthalpien. Bei der DSC wird eine kleine Probe so erhitzt, dass eine sehr genaue zeitliche Temperaturänderung erzeugt wird. Während Phasenübergängen ändert sich der Wärmestrom, der erforderlich ist, um diese Heiz- oder Kühlrate aufrechtzuerhalten. Diese Veränderungen können beobachtet und verschiedenen Phasenübergängen zugeschrieben werden, wie beispielsweise wichtigen Flüssigkristallübergängen.

Lyotrope Mesophasen werden auf ähnliche Weise analysiert, allerdings sind diese Experimente etwas komplexer, da die Konzentration des Mesogens ein Schlüsselfaktor ist. Diese Experimente werden bei verschiedenen Mesogenkonzentrationen durchgeführt, um diese Auswirkungen zu analysieren.

Biologische Flüssigkristalle

Lyotrope flüssigkristalline Phasen sind in lebenden Systemen reichlich vorhanden, deren Untersuchung als Lipidpolymorphismus bezeichnet wird . Dementsprechend finden lyotrope Flüssigkristalle im Bereich der biomimetischen Chemie besondere Beachtung. Insbesondere biologische Membranen und Zellmembranen sind eine Form von Flüssigkristallen. Ihre Moleküle (zB Phospholipide ) stehen senkrecht zur Membranoberfläche, dennoch ist die Membran flexibel. Diese Lipide variieren in ihrer Form (siehe Seite über Lipidpolymorphismus ). Die Moleküle können sich leicht vermischen, verlassen aber aufgrund des hohen Energiebedarfs dieses Prozesses die Membran nicht. Lipidmoleküle können von einer Seite der Membran zur anderen kippen, wobei dieser Vorgang durch Flippasen und Floppasen (je nach Bewegungsrichtung) katalysiert wird . Diese Flüssigkristallmembranphasen können auch wichtige Proteine ​​wie Rezeptoren beherbergen, die innerhalb oder teilweise außerhalb der Membran frei "schweben", z. B. CCT.

Viele andere biologische Strukturen zeigen Flüssigkristallverhalten. Zum Beispiel ist die konzentrierte Proteinlösung , die von einer Spinne extrudiert wird, um Seide zu erzeugen , tatsächlich eine Flüssigkristallphase. Die genaue Anordnung der Moleküle in Seide ist entscheidend für ihre bekannte Stärke. DNA und viele Polypeptide , einschließlich aktiv angetriebener Zytoskelett-Filamente, können auch Flüssigkristallphasen bilden. Es wurde auch beschrieben, dass Monoschichten von länglichen Zellen Flüssigkristallverhalten zeigen, und die damit verbundenen topologischen Defekte wurden mit biologischen Konsequenzen, einschließlich Zelltod und Extrusion, in Verbindung gebracht. Zusammen bilden diese biologischen Anwendungen von Flüssigkristallen einen wichtigen Bestandteil der aktuellen akademischen Forschung.

Mineralische Flüssigkristalle

Beispiele für Flüssigkristalle finden sich auch in der Mineralwelt, die meisten von ihnen sind lyotrop. Das erste entdeckte war Vanadium(V)-Oxid von Zocher im Jahr 1925. Seitdem wurden nur wenige andere entdeckt und im Detail untersucht. Die Existenz einer echten nematischen Phase im Fall der Smektit- Tonfamilie wurde 1938 von Langmuir aufgeworfen, blieb aber sehr lange offen und wurde erst kürzlich bestätigt.

Mit der rasanten Entwicklung der Nanowissenschaften und der Synthese vieler neuer anisotroper Nanopartikel nimmt die Zahl solcher mineralischer Flüssigkristalle schnell zu, beispielsweise bei Kohlenstoffnanoröhren und Graphen. Es wurde sogar eine lamellare Phase entdeckt, H 3 Sb 3 P 2 O 14 , die eine Hyperquellung bis zu ~250 nm für den interlamellaren Abstand aufweist.

Musterbildung in Flüssigkristallen

Anisotropie von Flüssigkristallen ist eine Eigenschaft, die in anderen Flüssigkeiten nicht beobachtet wird. Diese Anisotropie führt dazu, dass sich die Strömungen von Flüssigkristallen unterschiedlicher verhalten als die von gewöhnlichen Flüssigkeiten. Zum Beispiel führt die Injektion eines Flusses eines Flüssigkristalls zwischen zwei nahe parallele Platten ( viskoses Fingering ) dazu, dass die Orientierung der Moleküle mit der Strömung gekoppelt wird, wodurch dendritische Muster entstehen. Diese Anisotropie manifestiert sich auch in der Grenzflächenenergie ( Oberflächenspannung ) zwischen verschiedenen Flüssigkristallphasen. Diese Anisotropie bestimmt die Gleichgewichtsform bei der Koexistenztemperatur und ist so stark, dass normalerweise Facetten erscheinen. Bei einer Temperaturänderung wächst eine der Phasen und bildet je nach Temperaturänderung unterschiedliche Morphologien. Da das Wachstum durch Wärmediffusion gesteuert wird, begünstigt die Anisotropie der Wärmeleitfähigkeit das Wachstum in bestimmten Richtungen, was sich auch auf die endgültige Form auswirkt.

Theoretische Behandlung von Flüssigkristallen

Die mikroskopische theoretische Behandlung flüssiger Phasen kann aufgrund der hohen Materialdichte recht kompliziert werden, sodass starke Wechselwirkungen, harte Kernabstoßungen und Vielteilchenkorrelationen nicht vernachlässigt werden können. Im Fall von Flüssigkristallen erschwert die Anisotropie all dieser Wechselwirkungen die Analyse zusätzlich. Es gibt jedoch eine Reihe relativ einfacher Theorien, die zumindest das allgemeine Verhalten der Phasenübergänge in Flüssigkristallsystemen vorhersagen können.

Direktor

Wie wir oben bereits gesehen haben, bestehen die nematischen Flüssigkristalle aus stäbchenförmigen Molekülen, bei denen die Längsachsen benachbarter Moleküle etwa zueinander ausgerichtet sind. Um diese anisotrope Struktur zu beschreiben, wird ein dimensionsloser Einheitsvektor n , der Direktor genannt , eingeführt, um die Richtung der bevorzugten Orientierung von Molekülen in der Nachbarschaft eines beliebigen Punktes darzustellen. Da es entlang der Direktorachse keine physikalische Polarität gibt, sind n und -n völlig äquivalent.

Bestellparameter

Der lokale nematische Direktor , der auch die lokale optische Achse ist, ergibt sich aus dem räumlichen und zeitlichen Mittel der langen Molekülachsen

Die Beschreibung von Flüssigkristallen beinhaltet eine Ordnungsanalyse. Ein symmetrischer spurloser Tensorordnungsparameter zweiter Ordnung wird verwendet, um die Orientierungsordnung eines nematischen Flüssigkristalls zu beschreiben, obwohl ein skalarer Ordnungsparameter normalerweise ausreicht, um einachsige nematische Flüssigkristalle zu beschreiben. Um dies quantitativ zu machen, wird normalerweise ein Orientierungsordnungsparameter basierend auf dem Durchschnitt des zweiten Legendre-Polynoms definiert :

wobei der Winkel zwischen der Flüssigkristall-Molekülachse und dem lokalen Direktor ist (der die "bevorzugte Richtung" in einem Volumenelement einer Flüssigkristallprobe ist, die auch seine lokale optische Achse darstellt ). Die Klammern bezeichnen sowohl einen zeitlichen als auch einen räumlichen Durchschnitt. Diese Definition ist praktisch, da für eine vollständig zufällige und isotrope Stichprobe S  = 0 ist, während für eine perfekt ausgerichtete Stichprobe S = 1 ist. Für eine typische Flüssigkristallprobe liegt S in der Größenordnung von 0,3 bis 0,8 und nimmt im Allgemeinen mit steigender Temperatur ab. Insbesondere wird ein starker Abfall des Ordnungsparameters auf 0 beobachtet, wenn das System einen Phasenübergang von einer LC-Phase in die isotrope Phase durchläuft. Der Ordnungsparameter kann auf verschiedene Weise experimentell gemessen werden; zum Beispiel können Diamagnetismus , Doppelbrechung , Raman-Streuung , NMR und EPR verwendet werden, um S zu bestimmen.

Die Ordnung eines Flüssigkristalls könnte auch durch Verwendung anderer gerader Legendre-Polynome charakterisiert werden (alle ungeraden Polynome mitteln sich auf Null, da der Direktor in eine von zwei antiparallelen Richtungen zeigen kann). Diese Mittelwerte höherer Ordnung sind schwieriger zu messen, können aber zusätzliche Informationen über die molekulare Ordnung liefern.

Ein Positionsordnungsparameter wird auch verwendet, um die Anordnung eines Flüssigkristalls zu beschreiben. Sie ist durch die Variation der Dichte des Massenzentrums der Flüssigkristallmoleküle entlang eines gegebenen Vektors gekennzeichnet. Bei Positionsvariation entlang der z- Achse wird die Dichte oft angegeben durch:

Der komplexe Positionsordnungsparameter ist definiert als und die durchschnittliche Dichte. Typischerweise werden nur die ersten beiden Terme beibehalten und Terme höherer Ordnung werden ignoriert, da die meisten Phasen adäquat mit Sinusfunktionen beschrieben werden können. Für eine perfekte nematische und für eine smektische Phase werden komplexe Werte angenommen. Die komplexe Natur dieses Ordnungsparameters lässt viele Parallelen zwischen nematischen zu smektischen Phasenübergängen und Leiter-zu-Supraleiter-Übergängen zu.

Onsager Hard-Rod-Modell

Ungelöstes Problem in der Physik :

Kann der Phasenübergang von nematisch zu smektisch (A) in Flüssigkristallzuständen als universeller Phasenübergang charakterisiert werden ?

Ein einfaches Modell, das lyotrope Phasenübergänge vorhersagt, ist das von Lars Onsager vorgeschlagene Hard-Rod-Modell . Diese Theorie betrachtet das Volumen, das vom Massenmittelpunkt eines idealisierten Zylinders ausgeschlossen ist, wenn er sich einem anderen nähert. Insbesondere wenn die Zylinder parallel zueinander ausgerichtet sind, gibt es nur sehr wenig Volumen, das vom Massenmittelpunkt des sich nähernden Zylinders ausgeschlossen wird (er kann dem anderen Zylinder ziemlich nahe kommen). Stehen die Zylinder jedoch in einem gewissen Winkel zueinander, dann ist der Zylinder von einem großen Volumen umgeben, in das der Massenmittelpunkt des sich nähernden Zylinders nicht eindringen kann (wegen der Abstoßung der harten Stange zwischen den beiden idealisierten Objekten). Somit ist diese winklige Anordnung sieht eine Abnahme in der Nettopositions Entropie des herannahenden Zylinders (es gibt wenige Zustände zur Verfügung , um es).

Die grundlegende Erkenntnis hierbei ist, dass parallele Anordnungen anisotroper Objekte zwar zu einer Abnahme der Orientierungsentropie führen, jedoch eine Zunahme der Positionsentropie. Daher wird in manchen Fällen eine größere Positionsordnung entropisch günstig sein. Diese Theorie sagt also voraus, dass eine Lösung stabförmiger Objekte bei ausreichender Konzentration einen Phasenübergang in eine nematische Phase durchläuft. Obwohl dieses Modell konzeptionell hilfreich ist, macht seine mathematische Formulierung mehrere Annahmen, die seine Anwendbarkeit auf reale Systeme einschränken.

Maier-Saupe mittlere Feldtheorie

Diese von Alfred Saupe und Wilhelm Maier vorgeschlagene statistische Theorie beinhaltet Beiträge eines anziehenden intermolekularen Potentials aus einem induzierten Dipolmoment zwischen benachbarten stabförmigen Flüssigkristallmolekülen. Die anisotrope Anziehung stabilisiert die parallele Ausrichtung benachbarter Moleküle, und die Theorie berücksichtigt dann einen Mittelwert der Wechselwirkung. Selbstkonsistent gelöst, sagt diese Theorie thermotrope nematisch-isotrope Phasenübergänge in Übereinstimmung mit dem Experiment voraus. Die Maier-Saupe-Mean-Field-Theorie wird auf Flüssigkristalle mit hohem Molekulargewicht erweitert, indem die Biegesteifigkeit der Moleküle berücksichtigt und die Methode der Pfadintegrale in der Polymerwissenschaft verwendet wird .

McMillans Modell

McMillans Modell, vorgeschlagen von William McMillan, ist eine Erweiterung der Maier-Saupe-Mean-Field-Theorie, die verwendet wird, um den Phasenübergang eines Flüssigkristalls von einer nematischen zu einer smektischen A-Phase zu beschreiben. Es sagt voraus, dass der Phasenübergang abhängig von der Stärke der Nahbereichswechselwirkung zwischen den Molekülen entweder kontinuierlich oder diskontinuierlich sein kann. Als Ergebnis ermöglicht es einen dreifachen kritischen Punkt, an dem sich die nematische, isotrope und smektische A-Phase treffen. Obwohl es die Existenz eines dreifachen kritischen Punktes vorhersagt, kann es seinen Wert nicht erfolgreich vorhersagen. Das Modell verwendet zwei Ordnungsparameter, die die Orientierungs- und Positionsordnung des Flüssigkristalls beschreiben. Der erste ist einfach der Durchschnitt des zweiten Legendre-Polynoms und der Parameter zweiter Ordnung ist gegeben durch:

Die Werte z i , θ i und d sind die Position des Moleküls, der Winkel zwischen der Molekülachse und dem Direktor und der Schichtabstand. Die postulierte potentielle Energie eines einzelnen Moleküls ist gegeben durch:

Dabei quantifiziert die Konstante α die Stärke der Wechselwirkung zwischen benachbarten Molekülen. Das Potential wird dann verwendet, um die thermodynamischen Eigenschaften des Systems unter Annahme des thermischen Gleichgewichts abzuleiten. Daraus resultieren zwei numerisch zu lösende Selbstkonsistenzgleichungen, deren Lösungen die drei stabilen Phasen des Flüssigkristalls sind.

Theorie des elastischen Kontinuums

In diesem Formalismus wird ein Flüssigkristallmaterial als Kontinuum behandelt; molekulare Details werden völlig ignoriert. Vielmehr berücksichtigt diese Theorie Störungen einer mutmaßlich orientierten Stichprobe. Die Verzerrungen des Flüssigkristalls werden üblicherweise durch die freie Frank-Energiedichte beschrieben . Man kann drei Arten von Verzerrungen identifizieren, die in einer orientierten Probe auftreten können: (1) Verdrehungen des Materials, bei denen benachbarte Moleküle gezwungen werden, relativ zueinander abgewinkelt statt ausgerichtet zu werden; (2) Spreizen des Materials, wobei eine Biegung senkrecht zum Direktor auftritt; und (3) Biegung des Materials, wobei die Verzerrung parallel zum Direktor und zur Molekülachse verläuft. Alle drei dieser Arten von Verzerrungen ziehen eine Energieeinbuße nach sich. Es handelt sich um Verzerrungen, die durch die Randbedingungen an Domänenwänden oder dem umschließenden Behälter hervorgerufen werden. Die Reaktion des Materials kann dann basierend auf den elastischen Konstanten entsprechend den drei Arten von Verzerrungen zerlegt werden. Die Theorie des elastischen Kontinuums ist ein effektives Werkzeug zur Modellierung von Flüssigkristallvorrichtungen und Lipiddoppelschichten.

Äußere Einflüsse auf Flüssigkristalle

Wissenschaftler und Ingenieure sind in der Lage, Flüssigkristalle in einer Vielzahl von Anwendungen zu verwenden, da externe Störungen die makroskopischen Eigenschaften des Flüssigkristallsystems erheblich verändern können. Sowohl elektrische als auch magnetische Felder können verwendet werden, um diese Veränderungen zu induzieren. Die Größe der Felder sowie die Geschwindigkeit, mit der sich die Moleküle ausrichten, sind wichtige Eigenschaften, mit denen sich die Industrie beschäftigt. In Flüssigkristallvorrichtungen können spezielle Oberflächenbehandlungen verwendet werden, um bestimmte Ausrichtungen des Direktors zu erzwingen.

Elektrische und magnetische Feldeffekte

Die Fähigkeit des Direktors, sich entlang eines externen Feldes auszurichten, wird durch die elektrische Natur der Moleküle verursacht. Permanente elektrische Dipole entstehen, wenn ein Ende eines Moleküls eine positive Nettoladung hat, während das andere Ende eine negative Nettoladung hat. Wenn ein externes elektrisches Feld an den Flüssigkristall angelegt wird, neigen die Dipolmoleküle dazu, sich entlang der Feldrichtung zu orientieren.

Auch wenn ein Molekül keinen permanenten Dipol bildet, kann es dennoch durch ein elektrisches Feld beeinflusst werden. In einigen Fällen erzeugt das Feld eine leichte Neuordnung von Elektronen und Protonen in Molekülen, so dass ein induzierter elektrischer Dipol entsteht. Obwohl sie nicht so stark wie permanente Dipole sind, findet dennoch eine Orientierung mit dem externen Feld statt.

Die Reaktion jedes Systems auf ein externes elektrisches Feld ist

wobei , und die Komponenten des elektrischen Feldes, des elektrischen Verschiebungsfeldes und der Polarisationsdichte sind. Die im System gespeicherte elektrische Energie pro Volumen beträgt

(Summation über den doppelt erscheinenden Index ). In nematischen Flüssigkristallen hängen sowohl die Polarisation als auch die elektrische Verschiebung linear von der Richtung des elektrischen Felds ab. Die Polarisation sollte im Direktor gleichmäßig sein, da Flüssigkristalle Invarianten unter Reflexionen von sind . Die allgemeinste Form zum Ausdruck ist

(Summation über den Index ) mit und der elektrischen Permittivität parallel und senkrecht zum Direktor . Dann ist die Energiedichte (ohne Berücksichtigung der konstanten Terme, die nicht zur Dynamik des Systems beitragen)

(Summation über ). Wenn positiv ist, wird das Minimum der Energie erreicht, wenn und parallel sind. Dies bedeutet, dass das System die Ausrichtung des Flüssigkristalls auf das von außen angelegte elektrische Feld begünstigt. Ist negativ, dann wird das Minimum der Energie erreicht, wenn und senkrecht stehen (bei der Nematik ist die senkrechte Orientierung entartet, was die Entstehung von Wirbeln ermöglicht).

Der Unterschied wird dielektrische Anisotropie genannt und ist ein wichtiger Parameter bei Flüssigkristallanwendungen. Es gibt sowohl und kommerzielle Flüssigkristallen. 5CB- und E7-Flüssigkristallmischungen sind zwei üblicherweise verwendete Flüssigkristalle. MBBA ist ein gewöhnlicher Flüssigkristall.

Die Wirkungen magnetischer Felder auf Flüssigkristallmoleküle sind analog zu elektrischen Feldern. Da Magnetfelder durch bewegte elektrische Ladungen erzeugt werden, werden permanentmagnetische Dipole durch Elektronen erzeugt, die sich um Atome bewegen. Wenn ein Magnetfeld angelegt wird, neigen die Moleküle dazu, sich mit oder gegen das Feld auszurichten. Elektromagnetische Strahlung, zB UV-sichtbares Licht, kann lichtempfindliche Flüssigkristalle beeinflussen, die hauptsächlich mindestens eine photoschaltbare Einheit tragen.

Oberflächenvorbereitungen

Wenn kein externes Feld vorhanden ist, kann der Direktor eines Flüssigkristalls in jede beliebige Richtung zeigen. Es ist jedoch möglich, den Direktor zu zwingen, in eine bestimmte Richtung zu weisen, indem ein externer Agent in das System eingeführt wird. Wenn beispielsweise eine dünne Polymerbeschichtung (normalerweise ein Polyimid) auf einem Glassubstrat verteilt und mit einem Tuch in einer einzigen Richtung gerieben wird, wird beobachtet, dass sich Flüssigkristallmoleküle in Kontakt mit dieser Oberfläche in der Reibrichtung ausrichten. Der derzeit akzeptierte Mechanismus hierfür ist vermutlich ein epitaxiales Wachstum der Flüssigkristallschichten auf den teilweise ausgerichteten Polymerketten in den oberflächennahen Schichten des Polyimids.

Mehrere Flüssigkristallchemikalien richten sich auch auf eine "Befehlsoberfläche" aus, die wiederum durch ein elektrisches Feld von polarisiertem Licht ausgerichtet wird. Dieser Vorgang wird als Photoalignment bezeichnet .

Fredericks Übergang

Die Konkurrenz zwischen der Ausrichtung, die durch die Oberflächenverankerung und durch elektrische Feldeffekte erzeugt wird, wird oft in Flüssigkristallvorrichtungen ausgenutzt. Betrachten Sie den Fall, in dem Flüssigkristallmoleküle parallel zur Oberfläche ausgerichtet sind und ein elektrisches Feld senkrecht zur Zelle angelegt wird. Wenn die Stärke des elektrischen Felds zunimmt, tritt zunächst keine Änderung der Ausrichtung auf. Bei einer Schwellengröße des elektrischen Feldes tritt jedoch eine Verformung auf. Deformation tritt auf, wenn der Direktor seine Orientierung von einem Molekül zum nächsten ändert. Das Auftreten eines solchen Wechsels von einem ausgerichteten in einen deformierten Zustand wird als Fredericks-Übergang bezeichnet und kann auch durch Anlegen eines ausreichend starken Magnetfeldes erzeugt werden.

Der Fredericks-Übergang ist für den Betrieb vieler Flüssigkristallanzeigen von grundlegender Bedeutung, da die Ausrichtung des Direktors (und damit die Eigenschaften) leicht durch Anlegen eines Feldes gesteuert werden kann.

Wirkung der Chiralität

Wie bereits beschrieben, bilden chirale Flüssigkristallmoleküle in der Regel chirale Mesophasen. Dies bedeutet, dass das Molekül eine Form von Asymmetrie aufweisen muss, normalerweise ein stereogenes Zentrum. Eine weitere Voraussetzung ist, dass das System nicht racemisch ist : Eine Mischung aus rechts- und linkshändigen Molekülen hebt den chiralen Effekt auf. Aufgrund der kooperativen Natur der Flüssigkristall-Ordnung reicht jedoch oft eine kleine Menge an chiralem Dotierungsmittel in einer ansonsten achiralen Mesophase aus, um eine Händigkeit einer Domäne auszuwählen, wodurch das System insgesamt chiral wird.

Chirale Phasen weisen meist eine helikale Verdrillung der Moleküle auf. Wenn die Steigung dieser Verdrillung in der Größenordnung der Wellenlänge des sichtbaren Lichts liegt, können interessante optische Interferenzeffekte beobachtet werden. Die chirale Verdrillung, die in chiralen LC-Phasen auftritt, führt auch dazu, dass das System anders reagiert als bei rechts- und linkshändig zirkular polarisiertem Licht. Diese Materialien können somit als Polarisationsfilter verwendet werden .

Es ist möglich, dass chirale LC-Moleküle im Wesentlichen achirale Mesophasen erzeugen. Zum Beispiel bildet DNA in bestimmten Konzentrations- und Molekulargewichtsbereichen eine achirale hexatische Phase. Eine interessante neuere Beobachtung betrifft die Bildung chiraler Mesophasen aus achiralen LC-Molekülen. Insbesondere wurde gezeigt, dass Bent-Core-Moleküle (manchmal als Bananen-Flüssigkristalle bezeichnet) Flüssigkristallphasen bilden, die chiral sind. In jeder bestimmten Probe haben verschiedene Domänen entgegengesetzte Händigkeit, aber innerhalb jeder gegebenen Domäne wird eine starke chirale Ordnung vorhanden sein. Der Entstehungsmechanismus dieser makroskopischen Chiralität ist noch nicht vollständig geklärt. Es scheint, dass sich die Moleküle in Schichten stapeln und sich innerhalb der Schichten verkippt orientieren. Diese Flüssigkristallphasen können ferroelektrisch oder antiferroelektrisch sein, die beide für Anwendungen von Interesse sind.

Chiralität kann auch durch Zugabe eines chiralen Dotierungsmittels in eine Phase eingebaut werden , das selbst keine LCs bilden kann. Verdrillt-nematische oder superverdrillte nematische Mischungen enthalten oft eine geringe Menge solcher Dotierstoffe.

Anwendungen von Flüssigkristallen

Aufbau der Flüssigkristallanzeige: 1 – vertikaler Polarisationsfilter, 2, 4 – Glas mit Elektroden, 3 – Flüssigkristalle, 5 – horizontaler Polarisationsfilter, 6 – Reflektor
"Wikipedia" wird auf einem LCD angezeigt

Flüssigkristalle finden breite Anwendung in Flüssigkristallanzeigen, die auf den optischen Eigenschaften bestimmter flüssigkristalliner Substanzen in Gegenwart oder Abwesenheit eines elektrischen Felds beruhen . In einer typischen Vorrichtung sitzt eine Flüssigkristallschicht (typischerweise 4 µm dick) zwischen zwei gekreuzten Polarisatoren (um 90° zueinander orientiert). Die Flüssigkristallausrichtung wird so gewählt, dass seine relaxierte Phase eine verdrillte ist (siehe Verdrillter nematischer Feldeffekt ). Diese verdrehte Phase richtet Licht, das den ersten Polarisator passiert hat, neu aus, wodurch seine Übertragung durch den zweiten Polarisator ermöglicht wird (und zum Beobachter zurückreflektiert wird, wenn ein Reflektor vorgesehen ist). Das Gerät erscheint somit transparent. Wenn ein elektrisches Feld an die LC-Schicht angelegt wird, neigen die langen Molekülachsen dazu, sich parallel zum elektrischen Feld auszurichten, wodurch sie sich allmählich in der Mitte der Flüssigkristallschicht aufdrehen. In diesem Zustand richten die LC-Moleküle das Licht nicht neu aus, so dass das am ersten Polarisator polarisierte Licht am zweiten Polarisator absorbiert wird und die Vorrichtung mit steigender Spannung an Transparenz verliert. Auf diese Weise kann das elektrische Feld verwendet werden, um auf Befehl einen Pixelwechsel zwischen transparent oder opak zu bewirken. Farb-LCD-Systeme verwenden dieselbe Technik, wobei Farbfilter verwendet werden, um rote, grüne und blaue Pixel zu erzeugen. Chirale smektische Flüssigkristalle werden in ferroelektrischen LCDs verwendet, die schnell schaltende binäre Lichtmodulatoren sind. Ähnliche Prinzipien können verwendet werden, um andere optische Vorrichtungen auf Flüssigkristallbasis herzustellen.

Abstimmbare Flüssigkristallfilter werden als elektrooptische Vorrichtungen verwendet, z. B. bei der hyperspektralen Bildgebung .

Thermotrope chirale LCs, deren Ganghöhe stark mit der Temperatur variiert, können als rohe Flüssigkristallthermometer verwendet werden , da sich die Farbe des Materials ändert, wenn sich die Ganghöhe ändert. Flüssigkristall-Farbübergänge werden bei vielen Aquarien- und Poolthermometern sowie bei Säuglings- oder Badethermometern verwendet. Andere Flüssigkristallmaterialien ändern ihre Farbe, wenn sie gedehnt oder belastet werden. Daher werden Flüssigkristallfolien in der Industrie häufig verwendet, um nach Hotspots zu suchen, den Wärmefluss zu kartieren, Spannungsverteilungsmuster zu messen und so weiter. Flüssigkristalle in flüssiger Form werden zur Erkennung von elektrisch erzeugten Hot Spots für die Fehleranalyse in der Halbleiterindustrie verwendet.

Flüssigkristalllinsen konvergieren oder divergieren das einfallende Licht durch Einstellen des Brechungsindex der Flüssigkristallschicht mit angelegter Spannung oder Temperatur. Im Allgemeinen erzeugen die Flüssigkristalllinsen eine parabolische Brechungsindexverteilung durch Anordnen von molekularen Orientierungen. Daher wird eine ebene Welle durch eine Flüssigkristalllinse in eine parabolische Wellenfront umgeformt. Die Brennweite von Flüssigkristalllinsen könnte kontinuierlich abstimmbar sein, wenn das externe elektrische Feld richtig abgestimmt werden kann. Flüssigkristalllinsen sind eine Art adaptive Optik . Das Bildgebungssystem kann von Fokuskorrektur, Bildebenenanpassung oder Änderung des Bereichs der Schärfentiefe oder der Schärfentiefe profitieren . Flüssigkristalllinsen sind einer der Kandidaten für die Entwicklung von Sehkorrekturgeräten für Myopie- und Presbyopie- Augen (z. B. abstimmbare Brillen und intelligente Kontaktlinsen). Als optischer Phasenmodulator weist eine Flüssigkristalllinse eine raumvariable optische Weglänge auf (dh eine optische Weglänge als Funktion ihrer Pupillenkoordinate). In verschiedenen Abbildungssystemen variiert die erforderliche Funktion der optischen Weglänge von einem zum anderen. Um beispielsweise eine ebene Welle in einen beugungsbegrenzten Fleck zu konvergieren, sollte für eine physikalisch-planare Flüssigkristallstruktur der Brechungsindex der Flüssigkristallschicht sphärisch oder paraboloid in paraxialer Näherung sein . Was das Projizieren von Bildern oder das Erfassen von Objekten betrifft, kann erwartet werden, dass die Flüssigkristalllinse eine asphärische Verteilung der optischen Weglänge über ihre interessierende Apertur aufweist. Flüssigkristalllinsen mit elektrisch abstimmbarem Brechungsindex (durch Adressieren der unterschiedlichen Stärke des elektrischen Felds auf der Flüssigkristallschicht) haben Potenziale, um eine beliebige Funktion der optischen Weglänge zum Modulieren der einfallenden Wellenfront zu erreichen; derzeitige optische Freiform- Flüssigkristallelemente wurden von Flüssigkristalllinsen mit den gleichen optischen Mechanismen erweitert. Die Anwendungen von Flüssigkristalllinsen umfassen Pico-Projektoren, Brillengläser (Brillen oder Kontaktlinsen), Smartphone-Kameras, Augmented Reality, Virtual Reality usw.

Flüssigkristalllaser verwenden einen Flüssigkristall im Lasermedium als verteilten Rückkopplungsmechanismus anstelle von externen Spiegeln. Die Emission bei einer photonischen Bandlücke, die durch die periodische dielektrische Struktur des Flüssigkristalls erzeugt wird, ergibt eine Vorrichtung mit niedrigem Schwellenwert und hoher Ausgangsleistung mit stabiler monochromatischer Emission.

Folien und Rollen mit polymerdispergierten Flüssigkristallen (PDLC) sind als Smart-Folie mit selbstklebender Rückseite erhältlich , die auf Fenster aufgetragen und elektrisch zwischen transparent und undurchsichtig umgeschaltet werden kann, um Privatsphäre zu bieten.

Viele gängige Flüssigkeiten, wie beispielsweise Seifenlauge , sind in der Tat Flüssigkristalle. Seife bildet je nach Konzentration im Wasser verschiedene LC-Phasen.

Flüssigkristallfilme haben die Welt der Technik revolutioniert. Derzeit werden sie in den unterschiedlichsten Geräten wie Digitaluhren, Mobiltelefonen, Rechenmaschinen und Fernsehern eingesetzt. Die Verwendung von Flüssigkristallfilmen in optischen Speichervorrichtungen mit einem Verfahren ähnlich dem Aufzeichnen und Lesen von CDs und DVDs kann möglich sein.

Siehe auch

Verweise

Externe Links