Kontrollierte Flüssigkristalle

Mit Röntgenstrahlung hat ein Forscherteam bei Desy die erstaunlich vielfältige Selbst­organisation von Flüssigkristallen in nanometer­kleinen Poren erkundet. Die Studie unter Leitung von Patrick Huber von der Technischen Universität Hamburg zeigt, wie die Flüssigkristalle sich in verschieden großen Poren anordnen und dabei unterschiedliche elektrische und optische Eigen­schaften ausbilden. Diese könnten für Anwendungen wie Sensoren und neuartige optische Metamaterialien interessant sein, wie die Gruppe um Kathrin Sentker von der TUHH berichtet. Die Unter­suchungen sollen künftig im Rahmen des geplanten Centre for Multiscale Materials Systems (CIMMS) fortgesetzt werden, an dem TUHH, Universität Hamburg, Helmholtz-Zentrum Geesthacht und Desy beteiligt sind.

Die Forscher hatten ein spezielles Flüssigkristall­material namens HAT6 (2,3,6,7,10,11-Hexakis(hexyloxy)tri­phenylen; C₅₄H₈₄O₆) untersucht, dessen Einzelmoleküle scheibenförmig sind. Sie ordnen sich unterhalb von etwa siebzig Grad Celsius zu einem Flüssigkristall, durch Erhitzen auf rund 100 Grad lässt sich die Ordnung wieder aufheben. Dieses Material füllten die Wissen­schaftler in Poren in einem Aluminiumoxid-Träger und kühlten es ab. Die zylindrischen Poren waren 17 bis 160 Nanometer dick, 0,1 Millimeter lang und in einem hexagonalen Gitter angeordnet. An der Röntgenlicht­quelle PETRA III, der Europäischen Synchrotron­strahlungsquelle ESRF in Grenoble und der National Synchrotron Light Source (NSLS II) auf Long Island beobachtete das Team, wie sich das Flüssigkristall­material in den Nanoporen verhält. Die Geometrie und die chemischen Eigenschaften der Poren zwingen die Scheibenmoleküle des Flüssig­kristalls dabei, sich auf unterschiedliche Weise zu ordnen. „Die Porengröße und eine optionale Beschichtung der Porenwand steuern, wie sich die Flüssig­kristalle beim Abkühlen organisieren“, sagt Milena Lippmann von Desy. Dabei können beispiels­weise nanometer­große Ringe oder gerade Säulen entstehen.

Je langsamer die Temperatur sinkt, desto besser bildet sich die jeweilige Ordnung aus. Mit einer hydrophilen oder hydro­phoben Beschichtung der Porenwand lässt sich dabei steuern, ob sich die scheibenförmigen Moleküle mit der flachen Seite oder ihrer Kante an die Porenwand anlagern. „Die unterschiedlichen kollektiven Ordnungen der Flüssig­kristalle haben verschiedene elektrische und optische Eigenschaften“, erläutert Huber. So ist etwa die axiale Anordnung der Moleküle elektrisch leitend, was durch die Zerstörung der Ordnung beim Erhitzen verloren geht. „Damit ließen sich beispielsweise schaltbare, eindi­mensionale Nanodrähte konstruieren“, fügt Andreas Schönhals von der Bundes­anstalt für Material­forschung und -prüfung hinzu, der sich für die dielek­trischen Eigenschaften dieser Systeme interessiert.

Die verschiedenen Ordnungen polarisieren zudem das Licht sehr unterschiedlich. „Da jede Pore kleiner als die sichtbare Lichtwellen­länge ist, kann mit dem Kollektiv der Nanoporen und als Funktion der flüssig­kristallinen Ordnung auf der Einzel­porenebene gezielt der Polarisations­zustand von transmittiertem oder reflektiertem Licht gesteuert werden. Dieser Effekt geht weit über das hinaus, was mit den Grund­materialien, also dem Flüssigkristall und Aluminiumoxid, allein möglich ist“, betont Huber. „Solche maßge­schneiderten und adaptiven Meta­materialien sind die Grundlagen für die sich gerade rasch entwickelnde trans­formative Optik. Hierbei können Lichtwege in Materialien realisiert werden, die mit klassischen Materialien nicht umzusetzen sind. Beispiele sind extrem dünne optische Linsen mit starker Brechkraft, was in Zukunft vielleicht jeden Brillen­träger freuen könnte, oder Beschichtungen, die Objekte unsichtbar machen.“

Auch für verschiedene Arten von Sensoren, zum Beispiel für die Temperatur, eignen sich diese Flüssig­kristall-Festkörper Hybride. „HAT6 ist nur eine von vielen Flüssigkristall­sorten, deren Selbst­organisation sich in nanoporösen Medien für Materialien mit maßge­schneiderten Eigenschaften nutzen lässt“, betont Marco Mazza vom Max-Planck Institut für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen und der Universität Loughborough in Großbritannien, der die Computer­simulation der Selbst­organisation der Flüssigkristalle geleitet hat. Andere Geometrien und damit andere Eigenschaften sind bei anderen Flüssigkristall­sorten möglich. Aus materialwissenschaftlicher Perspektive zeige die Untersuchung zudem, wie sich die Lücke zwischen der Bottom-up- und der Top-down-Selbst­organisation überbrücken lasse, um mechanisch stabile, makro­skopische Materialsysteme zu designen, betonen die Forscher. Bottom-up bedeutet, dass sich Strukturen aus kleineren Einheiten bilden. Top-down dagegen, dass Strukturen in großen Einheiten erzeugt werden.

Im vorliegenden Fall wurden die Poren durch ein Ätzverfahren produziert, bei dem sich von selbst regelmäßige Nano­zylinder in einem makro­skopischen Trägermaterial bilden und relativ zueinander hexagonal anordnen – eine Top-down-Selbst­organisation. Diese Poren wurden mit dem Flüssigkristall­material gefüllt, bei dem die einzelnen Moleküle durch Bottom-up-Selbst­organisation Strukturen formen. „Das nano­strukturierte Aluminiumoxid bildet also ein mechanisch robustes Gerüst für die eher weichen und fragilen Flüssigkeits­strukturen, so dass ein selbstorganisiertes Hybridmaterial entsteht, das mechanisch stabil ist und auch in makro­skopischen Bauelementen eingesetzt werden kann“, betont Sentker. „Besonders die fehlende mechanische Stabilität ist bei vielen anderen funktionalen Nano­materialien immer noch eine große Hürde für deren technologischen Einsatz.“

DESY / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  K. Sentker et al.: Self-assembly of liquid crystals in nanoporous solids for adaptive photonic metamaterials, Nanoscale 11, 23304 (2019); DOI: 10.1039/C9NR07143A
• Werkstoffphysik und -technologie, Technische Universität Hamburg
• PETRA III, Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, Hamburg