Als die Kristalle fließen lernten

Flachbild-Fernseher, Digitalanzeigen und Handydisplays gehören heute zu alltäglichen Technologien. Flüssigkristalle darin erlauben es, diese modernen Geräte flach und energieeffizient zu bauen. Die Grundlagen der Flüssigkristallforschung, deren Erkenntnisse im Computerzeitalter so nützlich wurden, legte vor genau 125 Jahren der Karlsruher Physiker Otto Lehmann. In der Zeitschrift für Physikalische Chemie stellte er am 25. Oktober 1889 die ersten systematischen, wissenschaftlichen Ergebnisse über die neue Materialklasse der Flüssigkristalle vor.

„Otto Lehmann ist als engagierter Forscher, Lehrer und Kommunikator bis heute Vorbild“, sagt Holger Hanselka, Präsident des KIT. „Mit Vertrauen auf seine experimentellen Ergebnisse hat er sich immer wieder dem wissenschaftlichen und öffentlichen Diskurs gestellt und für die Materialforschung ein neues Kapitel eröffnet.“

Zentrales Forschungsthema Lehmanns war die Physik von Molekülen und ihr Zusammenspiel beim Schmelzen und Erstarren von Materie, also dem Übergang zwischen dem flüssigen, dem festen und dem kristallinen Zustand. Im Jahre 1888 bekam er vom österreichischen Botaniker Friedrich Reinitzer aus Prag den Hinweis, dass bestimmte organische Substanzen gleichzeitig Eigenschaften einer Flüssigkeit und eines Feststoffs zeigen. Da dieses Verhalten der damals gängigen Lehrmeinung widersprach, untersuchte er dieses Phänomen intensiv und veröffentlichte am 25. Oktober 1889 seine ersten experimentellen Ergebnisse und physikalischen Deutungen. In den folgenden 30 Jahren widmete sich Lehmann den Flüssigkristallen und entwickelte kontinuierlich das notwendige wissenschaftliche Instrumentarium wie etwa das beheizbare Kristallisationsmikroskop, das bei geringem Zeit- und Materialaufwand eine sehr große Zahl an Einzelbeobachtungen erlaubte.

„Seine Beobachtungsmöglichkeiten waren die modernsten ihrer Zeit, vergleichbar mit Elektronenmikroskopen oder Synchrotronquellen heutzutage“, erklärt Peter Knoll, außerplanmäßiger Professor am KIT und Vorsitzender der Otto-Lehmann-Stiftung. „Daher ist es nicht verwunderlich, dass viele seiner Kollegen die Ergebnisse nicht selber reproduzieren konnten.“ Heutzutage weiß man, dass sich die Eigenschaften der Flüssigkristalle durch die längliche Form von organischen Molekülen und die schwachen Kräfte zwischen ihnen erklären lassen. Obwohl die Kräfte nur für eine lose Bindung wie bei Flüssigkeiten sorgen, erlaubt die „Zigarrenform“ eine geordnete, kristalline Anordnung, ähnlich wie bei Streichhölzern in einer Schachtel.

Zwischen 1900 und 1910 sorgte die Vorstellung, dass Materie neben den drei aus der Antike bekannten Zuständen fest, flüssig oder gasförmig einen weiteren haben kann, für heftige Diskussionen zwischen den Experten. Kommissionen wurden einberufen, um über die Natur von Flüssigkristallen zu entscheiden. Und Lehmann sah sich oft teils polemischer Kritik ausgesetzt. Welche Bedeutung Lehmanns Forschung schließlich doch zugesprochen wurde, belegt eine Aussage des Mitglieds des Nobelkomitees, Carl Benedicks. Nach Lehmanns Tod 1922 schrieb er dem Sohn Lehmanns: „Ich betrachte sein [Lehmanns] Lebenswerk als die z.Z. bedeutendste wissenschaftliche Leistung auf dem Gebiet der Physik und Chemie, die nicht mit der Anerkennung eines Nobelpreises gekrönt worden ist.“

„In den 30 Jahren seiner Tätigkeit in Karlsruhe hat Lehmann viele Impulse gegeben“, berichtet Klaus Nippert, Leiter des KIT-Archivs. Als Institutsleiter setzte er sich für den Neubau des Physikalischen Instituts ein und unterstützte bereits 1893 die Einrichtung eines Elektrotechnischen Instituts. Die Lehre bereicherte er konsequent um Experimentvorführungen im Hörsaal. Seine Lehrbücher waren Standardwerke für eine Generation von Physikern. Im Karlsruher Wissenschaftlichen Verein hielt er viele öffentliche Vorträge, und 1921 stellte er seine Forschung zu Flüssigkristallen sogar in einem Dokumentarfilm für die deutschen Kinos vor. In seiner Antrittsrede als Rektor der damaligen Technischen Hochschule Karlsruhe spricht er im Jahr 1900 visionär unter dem Titel „Physik und Politik“ über kommende Energieknappheit und die Möglichkeit, Steinkohle durch Sonnenenergie zu ersetzen.

„Ohne Lehmann wären die heutigen Digitalanzeigen undenkbar“, sagt Knoll. Flüssigkristallanzeigen sind heute in zahlreichen Anwendungen zu finden. Angefangen mit den Digitaluhren der 1970er, über Displays in Haushaltsgeräten hin zu den ersten Flachbildschirmen der 1990er. Erst Flüssigkristalle ermöglichten kleine mobile Anwendungen wie Laptop, Navigationssysteme und Smartphones. Auch bei Monitoren und Fernsehern haben Flüssigkristallbildschirme die energieintensiven und schweren Röhrengeräte ersetzt.

In Flüssigkristallanzeigen (LCD – Liquid Cristal Display) ist eine mit fünf bis sieben Mikrometern sehr dünne Flüssigkristallschicht zwischen zwei Glasplatten angeordnet. Die zigarrenförmigen Moleküle orientieren sich parallel zu den geeignet behandelten Glasoberflächen und erhalten zusätzlich eine 90-Grad-Verdrillung über die Tiefe der Flüssigkristallschicht. Die einzelnen Bildelemente (Pixel) werden durch transparente Elektroden auf den Innenseiten der Glasplatten gebildet. Auf den Glasplatten befinden sich polarisierende Folien, deren Polarisationsrichtungen senkrecht zueinander stehen. Fällt Licht auf die Flüssigkristallzelle, wird es zunächst polarisiert, dann durch die verdrillte Schicht um 90 Grad gedreht und kann die Zelle durch den zweiten Polarisator verlassen. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung wird die Verdrillung der Schicht innerhalb des einzelnen Bildelements aufgehoben und das Licht kann die Zelle nun nicht mehr passieren. Somit wirkt die Flüssigkristallschicht wie ein Lichtventil für eine passende dahinterliegende Lichtquelle und erzeugt richtig gesteuert die Zeichen und Bilder auf der Anzeige. Farbe wird durch dünne Farbfilter in der Zelle erzeugt. Die Dauerausstellung „Von der Karotte zum Flachbildschirm“ am KIT erklärt die Geschichte der Flüssigkristall-Forschung vom 19. Jahrhundert bis heute.

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