11.03.2011

Komplexe Flüssigkristalle

Spezielle Moleküle bilden eine flüssige und dynamische Wabenstruktur aus.

Spezielle Moleküle bilden eine flüssige und dynamische Wabenstruktur aus.

Zwei Eigenschaften zeichnen Flüssigkristalle aus: die Ordnung, wie sie für Kristalle typisch ist, kombiniert mit der Beweglichkeit von Flüssigkeiten. Die Strukturen bisher bekannter Flüssigkristalle sind dabei noch recht einfach. Forscher um Carsten Tschierske der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) haben nun in internationaler Kooperation mit anderen Forschergruppen demonstriert, wie sich spezifisch entwickelte „tetraphile“ Moleküle zu komplexen flüssigkristallinen Strukturen selbstorganisieren können.

Die für die Strukturbildung notwendigen Informationen müssen in der molekularen Struktur festgeschrieben sein. Dies wird erreicht durch eine gezielte Kombination von in diesem Fall vier (daher ,tetraphil’) verschiedenen miteinander unverträglichen und sich daher gegenseitig abstoßenden Molekülteilen mit anderen, sich gegenseitig anziehenden Teilen. Dadurch wird die abstoßende Wirkung aufgehoben und es können sich komplexere Strukturen bilden. Derartige Moleküle können sich in Waben organisieren. Die molekularen Wabenstrukturen bestehen aus periodischen Gittern von Einzelwaben unterschiedlicher Form, die dreieckig, viereckig oder sechseckig sein kann, und haben einen Durchmesser von wenigen Nanometern. Die „Nanowaben“ sind zudem unterschiedlich gefüllt. 

Abb.: Übergang von der zweifarbigen (links) in die einfarbige Phase (rechts) in hexagonalen Flüssigkristall-Waben. Aufgetragen sind Kartierungen der Elektronendichten bei niedriger (links) und bei hoher Temperatur (rechts). Die Kartierungen beziehen sich auf die nebenstehende Farbskala, wobei RF für Fluor-haltige und RSi für Silizium-haltige Seitenketten der Moleküle stehen. (Bild: X. Zeng et al., Science)

Darüber hinaus zeichnen sich die Waben dadurch aus, dass sie nicht fest sind, sondern flüssige dynamische Strukturen darstellen. Diese Fließeigenschaft ist entscheidend dafür, dass sich bei höheren Temperaturen die Inhalte verschiedener Waben vermischen können. Das verringert die Komplexität, da nun alle Waben wieder die gleichen Inhalte haben können. Die Wissenschaftler konnten nachweisen, dass der Übergang zwischen Strukturen niedriger und höherer Komplexität kontinuierlich ist.

MLU / MH

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