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Eigenschaften und Strukturmerkmale (an Beispielen von niedermolekularen Verbindungen)
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Einteilung der Flüssigkristalle (LC)
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Flüssigkristalline Polymere
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Charakterisierung
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Anwendungen
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Flüssigkristalline Polymere
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Eigenschaften und Strukturmerkmale (an Beispielen von niedermolekularen Verbindungen)
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Eigenschaften und Strukturmerkmale
(an Beispielen von niedermolekularen Verbindungen)
| Was sind Flüssigkristalle | Jeder kennt die drei Zustandsformen in denen Substanzen vorliegen können. Die feste
Phase, in der die Moleküle einen fest definierten Platz im Raster besitzt und die
einzelnen Atome sich nur in einem sehr geringen Rahmen durch Schwingungen bewegen. In der
flüssigen Phase besitzen die Moleküle keine Fernordnung mehr und können sich durch
Translation bewegen. In der Gasphase sind schließlich die letzten Wechselwirkungen
aufgehoben und die Moleküle dehnen sich komplett im Raum aus, bis sie die maximale
Entropie besitzen. Der Botaniker Reinitzer hat 1888 am Cholesterinbezoat festgestellt, dass die Probe bei 145,5 °C schmilzt aber milchig trüb bleibt. Erst bei einer Temperatur von 178,5 °C wurde die Probe klar. Beim Abkühlen wiederholte sich der Vorgang in umgekehrter Reihenfolge. Zwischen 145,5 °C und 178,5 °C besaß die Probe die viskosen/fließenden Eigenschaften von Flüssigkeiten und zusätzlich die optischen/lichtbrechenden Eigenschaften von Kristallen. Aus diesem Grund mussten die Verbindung im flüssigen Zustand eine gewisse Ordnung ausbilden und da sie sowohl die Eigenschaften von Flüssigkeiten und Kristallen besitzen, bezeichnete man sie als Flüssigkristalle.
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| Strukturmerkmale von Flüssigkristallen | Nun welche Verbindungen können eigentlich diese geordneten Phasen ausbilden, die
zwischen Flüssigkeit und Feststoff liegt. Aus diesem Grund werden die
flüssigkristallinen Phasen auch als Mesophasen bezeichnet. In der Regel sind die
Verbindungen als Stäbchen (Kalamiten) oder Scheiben (Diskoten) aufgebaut. Dabei müssen die stäbchenförmigen Verbindungen einen gestreckten, steifen Teil besitzen, der sich im Bereich der flüssigkristallinen Phase ausrichten kann. Die Struktur der Kalamiten unterteilt man nun in folgende Gruppen:
Beispiele:
Die Molekülfragmente können, wie die folgenden Beispiele zeigen, nach dem Baukastenprinzip zusammengebaut werden.
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| Ausnahmen: |
Wie oben schon angedeutet lassen sich Flüssigkristalle nach dem Baukastenprinzip
aufbauen. Allerdings lassen sich im voraus durch die komplizierten sterischen und polaren
Einflüsse keine genauen Angaben über die Art und Lage der Mesophasen machen. Cholesterischer Flüssigkristall:
Hier ist das Cholesteribezoat dargestellt, an dem Reinitzer als erstes die flüssigkristallinen Eigenschaften festgestellt hat. Wie man sieht nehmen die Verbindungen mit Cholesterin eine Sonderstellung ein. Sie sind nicht direkt nach dem oben gezeigten Bauprinzip aufgebaut. Allerdings besitzt das Steroidgerüst eine gewisse Steifigkeit und ist langgestreckt, sodass sich das Molekül auch ausrichten kann. Diskotisches Mesogen:
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Klassifizierung der Mesophasen
Nun kommen wir zur Klassifizierung von Flüssigkristallen und deren Mesophasen. Zuerst unterscheidet man zwischen thermotropen und lyotropen Flüssigkristallen.
| Thermotropen Mesophasen | Schematische Darstellung (Auswahl):
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| Lyotrope Flüssigkristalle | Bei den lyotropen Flüssigkristallen können sich die Mesophasen nur in Gemischen
ausbilden. Dazu muss das Mesogen in einem passenden Lösungsmittel gelöst werden. Bei
diesen mindestens binären Gemischen zeigt sich die flüssigkristalline Phase in
Abhängigkeit von Konzentration und Temperatur. Die bekanntesten Beispiele sind Salze langkettiger aliphatischer Carbonsäuren (Seifen)
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Flüssigkristalline Polymere
| Polymere mit thermotropen
Mesophasen |
Bei flüssigkristallinen Polymere sind die
Strukturmerkmale die selben, wie bei niedermolekularen Verbindungen. In der Regel kommen
bei Polymeren, die thermotrope Mesophasen zeigen, ebenso cyclische Einheiten,
Zwischengruppen und Flügelgruppen vor.
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| LC-Seitenkettenpolymere | LC-Seitenkettenpolymere können auf zwei Arten synthetisiert werden. Zum Einen können
sie synthetisiert werden durch Homo- oder Copolymerisation eines Mesogens, an welches eine
polymerisierbare Gruppe angebunden ist.
Dabei können sich die flüssigkristallinen Eigenschaften zwischen Monomer und Polymer
sehr stark unterscheiden.
Verwendet man vernetzte Siloxane und einen entsprechend langen Spacer, so kann man die elastischen Eigenschaften eines Kautschuks mit den Eigenschaften der Mesophase koppeln.
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| Mesogene Gruppen in der
Hauptkette |
Durch Polykondensation oder Polyaddition werden Polymere erhalten, in deren Hauptkette sich Mesogene befinden.
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| Polymere mit lyotropen Mesophasen | Geht man bei den LC-Hauptkettenpolymeren zum Extremen und lässt den Spacer komplett
weg, so entstehen in der Regel lyotrope Flüssigkristalle. Dabei müssen zwei Bedingen
erfüllt sein, die Hauptkette muss komplett gestreckt (steif) sein und das Polymer muss
sich so gut in einem Lösungsmittel lösen, dass die kritische Konzentration zur Bildung
von Mesophasen gegeben ist. Das bekannteste Beispiel eines lyotropen Flüssigkristalls ist Kevlar.
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Charakterisierung von flüssigkristallinen Phasen
| Polaristationsmikroskop: |
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| Differential Scanning Calorimetrie DSC: |  Thermische Übergänge können auch durch die Bestimmung mittels DSC ermittelt werden. Dabei befindet sich die Probe und ein Standard im Heizofen. Beide Proben werden gleichmäßig erhitzt, wobei ein thermischer Übergang (z. B. von fest nach flüssig) bedeutend mehr Energie benötig, als das normale Erhitzen. Durch das Auftragen der Energiedifferenz zwischen den beiden Proben gegen die Temperatur wird das rechte Diagramm erhalten, wobei das Maximum der Signale dem Temperaturübergang entspricht.
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| Viskostät: |  Durch die unterschiedliche Anordnung der Moleküle in den verschiedenen Mesophasen variiert die Viskositäten erhalten.
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| Röntgenanalyse: | Beugungsmuster / Streudiagramme liefern die Raumordnung und damit die Mesophase |
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Anwendungsbeispiele:
| Kevlar:
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stabile Fasern und Formteile (Schusssichere Weste etc.)
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| Cholesterylester: | Zerstörungsfreie Temperaturindikatoren durch Farbänderung
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| LCD’s |  |
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Linkliste:
| Grundlagen | Was sind Flüssigkristalle? |
| Inhaltlich und optisch sehr schöne Zusammenfassung über die Technik von TFT-Bildschirmen von Sebastian Stein. | TFT - Displays: HighTech als revolutinärer Zwischenschritt |
| Technik von TFT-Bildschirmen von ZDNET-Technik | Vom Kristall zum TFT |
| Theoretische Grundlagen zu Flüssigkristallen (Vorlesung; ausführlich und gut) | |
| Demonstrationsexperimente mit Flüssigkristallen
(TU-Berlin) |
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| Willkommen bei Physik 2000, einer interaktiven
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Sehr interessant gestaltete Seiten der Uni Bonn mit zum Teil interaktiven Beispielen, auch zum Thema Fernsehbildschirme und Labtopbildschirme. |
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