Nano-Ringe aus Flüssigkristallen

An der Röntgen­quelle Petra III des Deutschen Elektronen-Synchro­trons Desy in Hamburg haben Forscher eine verblüf­fende Form der Selbst­organisation in Flüssig­kristallen untersucht: Werden die Flüssig­kristalle in zylin­drische Nano­poren gefüllt und erhitzt, bilden ihre Moleküle beim Abkühlen geordnete Ringe – ein Zustand, der in dem Material sonst nicht natürlicher­weise vorkommt. Dieses Verhalten ermöglicht Nanoma­terialien mit neuen optischen und elek­trischen Eigen­schaften, wie das Team unter Leitung von Patrick Huber von der Tech­nischen Univer­sität Hamburg (TUHH) berichtet.

Die Wissen­schaftler hatten eine besondere Form von Flüssig­kristallen untersucht, die aus scheiben­förmigen, disko­tischen Flüssig­kristallen aufgebaut sind. In diesen Materia­lien können die Scheiben-Moleküle von selbst hohe, elektrisch leitfähige Säulen bilden, indem sie sich wie Münzen aufeinander­stapeln. Die Forscher füllten disko­tische Flüssig­kristalle in Nanoporen in einem Silikat­glas. Die zylin­drischen Poren hatten einen Durch­messer von nur 17 Nanometern und eine Tiefe von 0,36 Milli­metern.

Dort wurden die Flüssig­kristalle auf rund einhundert Grad Celsius erhitzt und kühlten an­schließend langsam ab. Dabei formten sich aus den zunächst ungeord­neten Scheiben-Molekülen konzen­trische Ringe, die wie rund gebogene Säulen angeordnet waren. Beginnend vom Rand der Pore bildete sich mit sinkender Tempera­tur schritt­weise ein Ring nach dem anderen, bis bei etwa 70 Grad nahezu der gesamte Quer­schnitt der Pore mit konzen­trischen Ringen aufgefüllt war. Beim erneuten Erhitzen verschwanden die Ringe nach und nach wieder.

„Diese Änderung der mole­kularen Struktur in dem einge­schlossenen Flüssig­kristall lässt sich mit Methoden der Röntgen­diffraktion sehr genau als Funktion der Temperatur verfolgen“, erläutert Milena Lippmann, die die Experi­mente bei Petra III vorbereitet und mit durch­geführt hat. „Die Kombi­nation aus Symmetrie und Einschluss führt zu neuen, uner­warteten Phasen­übergängen“, ergänzt Marco Mazza vom Göttinger Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbst­organisation, wo der beobachtete Prozess mit Simulations­rechnungen nachge­stellt worden war. MPI-Forscher Arne Zantop hatte zu diesem Zweck ein theore­tisches und nume­risches Modell für den Flüssig­kristall in beschränkter Geome­trie entwickelt, welches die experi­mentellen Ergebnisse bestätigt und bei deren Inter­pretation hilft.

Die einzelnen Ringe formten sich schritt­weise bei bestimmten Tempera­turen. „Das ermöglicht es, einzelne Nano-Ringe durch kleine Temperatur­änderungen ein- und auszu­schalten“, betont Kathrin Sentker von der TUHH. Sie ist durch über­raschend stufen­artige Signal­veränderungen in laser-optischen Experi­menten auf diesen Prozess gestoßen. Derartige quanti­sierte Zustands­änderungen kommen sonst typischer­weise erst bei sehr tiefen Tempera­turen vor. Das Flüssig­kristall-System zeigt dieses Quanten­verhalten jedoch sogar schon deutlich oberhalb der Raum­temperatur.

Da sich die opto-elek­trischen Eigen­schaften disko­tischer Flüssig­kristalle mit dem Entstehen von Molekül­säulen ändern, ist die in Nano­oren einge­schlossene Variante ein vielver­sprechender Kandidat für das Design neuer optischer Meta­materialien, deren Eigen­schaften sich schritt­weise über die Temperatur steuern lassen. Die unter­suchten Nano­strukturen könnten auch zu neuen Anwen­ungen in orga­nischen Halb­leitern führen, etwa zu temperatur­schaltbaren Nano­drähten. „Das beobach­tete Phänomen ist ein gutes Beispiel dafür, wie viel­seitig sich weiche Materie an extreme räumliche Beschrän­kungen anpassen kann und wie dies zu neuen Erkennt­nissen in der Physik und zu neuen Design- und Kontroll­prinzipien für die Selbst­organisation funk­ionaler Nano­materialien führt“, erläutert Forschungs­leiter Huber.

Desy / JOL