Bunte Labyrinthe

Flüssigkristallfilme entwickeln atemberaubend komplexe Strukturen.

Durch ihre Verwendung in Displays und Bildschirmen sind Flüssigkristalle zu allgegenwärtigen, ja alltäglichen Substanzen geworden. Ihre physikalischen Eigenschaften sind indes ganz und gar nicht alltäglich, wie zahlreiche Untersuchungen gezeigt haben. So hatten Anfang des Jahres Alexey Eremin und Ralf Stannarius von der Universität Magdeburg berichtet, dass auf Flüssigkristallfilmen komplizierte Labyrinthmuster spontan entstehen können. Jetzt haben Damian Pociecha von der Universität Warschau und seine Kollegen diese Muster genauer untersucht und dabei eine sehr komplexe Anordnung der Flüssigkristallmoleküle beobachtet.

Das polnisch-slowenische Forscherteam hat für seine Untersuchungen Flüssigkristalle benutzt, die aus stäbchenförmigen Molekülen bestanden. Es handelte sich um smektische Flüssigkristalle, bei denen die Moleküle Schichten bilden, die wie in einem Kristall regelmäßig übereinander gestapelt sind. In den Schichten sind die Moleküle hingegen völlig unregelmäßig verteilt wie in einer Flüssigkeit. Bei den verwendeten Flüssigkristallen waren die aufeinander folgenden Schichten miteinander verzahnt: Die Moleküle einer Schicht ragten in die darüber und darunter liegenden Schichten hinein. Deshalb waren die Moleküle an der Oberfläche der untersuchten Flüssigkristallfilme nur halb so dicht gepackt wie im Innern – eine energetisch ungünstige Situation, die je nach Temperatur Konsequenzen haben sollte.

Die Forscher haben freistehende Flüssigkristallfilme, die in Rähmchen gespannt waren, auf Temperaturen über 80 Grad Celsius erhitzt. Zunächst hatten die Filme eine weitgehend homogene Dicke, die einige bis einige hundert Moleküllagen betragen konnte. Bei Abkühlung der Schicht entstanden fingerförmige Modulationen der Schichtdicke, die aufgrund ihrer Interferenzfarben sehr gut sichtbar waren. Schließlich bildeten sich komplizierte Labyrinthe, wie man sie ihn ähnlicher Form von Ferrofluiden her kennt. Dort werden eine magnetische und eine nichtmagnetische Flüssigkeit, die sich nicht mischen, in einem schmalen Spalt übereinander geschichtet und einem Magnetfeld ausgesetzt. Die magnetische Flüssigkeit entwickelt dann Finger, die einander abstoßen, in die nichtmagnetische Flüssigkeit eindringen und sich immer weiter verzweigen.

Während bei den Ferrofluiden magnetische Abstoßungskräfte zur Finger- und Labyrinthbildung führen, müssen bei den Flüssigkristallen andere Kräfte am Werk sein. Die Magdeburger Forscher konnten bei den von ihnen benutzten elektrisch polaren Flüssigkristallfilmen das Fingerwachstum mit Hilfe von elektrischen Feldern je nach Polarität beschleunigen oder rückgängig machen. Sie vermuteten deshalb, dass lokale elektrische Polarisationen die Filme, die zunächst eine konstante Dicke hatten, destabilisierten, indem sie zufällige Dickemodulationen verstärkten und heranwachsen ließen.

Abb.: Wird die Filmschicht abgekühlt, so verringert sich die Streifenbreite. Die dargestellte Schichtregion ist in der Mitte dünner als außen, sie wurde schrittweise von 97,6 (oben links) auf 97,1 °C (unten rechts) abgekühlt. (Quelle: D. Pociecha et al.)

Die Forscher in Warschau glauben jedoch, dass bei ihren Flüssigkristallfilmen die Oberflächenkräfte und die Anordnung der Moleküle für die spontan entstehenden Modulationen der Filmdicke verantwortlich sind. Um dies zu überprüfen, haben sie einen Flüssigkristallfilm mit linear polarisiertem Licht bestrahlt und die vom Film verursachte Drehung der Polarisationsebene registriert. Da die Stäbchenmoleküle des Flüssigkristalls ausgerichtet sind, ist er optisch doppelbrechend und verändert die Polarisation des hindurchgehenden Lichtes. Dadurch wird es möglich, die lokale Ausrichtung der Moleküle herauszufinden.

Es zeigte sich, dass die Stäbchenmoleküle nicht senkrecht zu den Schichten standen sondern leicht geneigt waren. Dadurch erhöhte sich die molekulare Dichte an der Filmoberfläche. Unterhalb einer bestimmten Übergangstemperatur entstanden streifenförmige Verdickungen des Films, an deren Flanken die Filmoberfläche eine Steigung aufwies, die es den Molekülen ermöglichte, noch enger zusammenzurücken. Wie die Analyse mit polarisiertem Licht ergab, waren die Moleküle in den verdickten Streifen quer zur Streifenrichtung geneigt. In den Streifenflanken zeigte die Neigung der Moleküle in Streifenrichtung. Durch den Wechsel zwischen dicken und dünnen Bereichen mit unterschiedlicher Molekülausrichtung konnten die Moleküle der obersten Lage des Films so eng wie möglich zusammenrücken. Dabei verringerte sich zwar die Entropie der Schicht. Doch bei hinreichend tiefer Temperatur wurde dies durch die energetisch günstigere Packung der Moleküle mehr als wettgemacht: Insgesamt nahm die freie Energie des Flüssigkristalls ab.

Die molekulare Anordnung in den Streifen führt dazu, dass zwei heranwachsende fingerförmige Streifen einander ausweichen müssen. Außerdem hat jeder Streifen die Tendenz, sich aufzuspalten bis er eine minimale Breite von einigen Mikrometern erreicht hat. Das Resultat ist ein kompliziertes Labyrinth. Die Forscher haben eine Theorie entwickelt, die quantitative Aussagen gestattet. So sollte die Breite der Streifen mit der Quadratwurzel der Filmdicke anwachen – was sie auch tatsächlich tut. Wird die Temperatur des Films erhöht, so wächst die Streifenbreite ebenfalls an und divergiert schließlich bei Annäherung an die Übergangstemperatur. Die Streifenbildung lässt sich somit als Phasenübergang verstehen. Inwieweit elektrische Kräfte dieses Verhalten beeinflussen können, bleibt noch zu klären. Bis dahin kann man sich an den farbenprächtigen Bildern der Flüssigkristall-Labyrinthe erfreuen.

Rainer Scharf

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  D. Pociecha et al.: Spontaneous breaking of minimal surface condition: Labyrinths in free standing smectic films. Phys. Rev. Lett. 95, 207801 (2005).
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.95.207801
  http://e-lc.org/Documents/D.___Pociecha_2005_05_12_09_36_48.pdf (frei!) 
• Labor der Gruppe von Wojciech Gadomski:
  http://www.chem.uw.edu.pl/labs/lpdm.htm 
• Homepage der Gruppe von Ralf Stannarius:
  http://www.uni-magdeburg.de/anp/ 
• Homepage der Gruppe von Harald Pleiner:
  http://www.mpip-mainz.mpg.de/~pleiner/ 
• Spezielle Dokumente und Informationen zum Thema smektische Filme finden Sie ganz einfach mit der Findemaschine, z. B. in der Kategorie Festkörperphysik+Publikationen.

Weitere Literatur:

• Eremin & R. Stannarius: Labyrinthine instability in polar free-standing liquid crystalline films. (2005).
  http://www.e-lc.org/Documents/A.___Eremin_2005_03_09_05_55_17.pdf (frei!) 
• E. Gorecka et al.: Periodic In-Layer Director Modulations Responsible for the Stripe Texture Formation in Chiral Smectic-C Phase. Phys. Rev. Lett. 75, 4047 (1995).
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.75.4047 
• Polymers and Liquid Crystals (Virtual Textbook):
  http://plc.cwru.edu/ 
• Randall D. Kamien & Jonathan V Selinger: Order and frustration in chiral liquid crystals. J. Phys.: Cond. Mat. 13, R1 (2001).
  http://xxx.lanl.gov/abs/cond-mat/0009094