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SmektitBild:Nematische Phase Schlierentextur.jpg Polarisationsmikroskopische Aufnahme eines Flüssigkristalls: Schlieren-Textur einer nematischen Phase Flüssigkristalle sind Substanzen, welche zwischen den Aggregatzuständenfest und flüssig eine oder mehrere Phasenaufweisen, die Eigenschaften beider Aggregatzustände in sich vereinigen. Solchen flüssigkristallinen Phasen (Mesophasen) ist wie einer Flüssigkeiteine mehr oder weniger ausgeprägte Fluiditätzu eigen. Gleichzeitig weisen sie in Analogie zum kristallinenFestkörperdie Ausbildung einer Orientierungs- und/oder Positionsordnung in einer, zwei oder auch drei Raumrichtungen auf. Dies führt bei den meisten flüssigkristallinen Phasen zur Anisotropie(Richtungsabhängigkeit) verschiedener physikalischer Eigenschaften. Ausdruck dieser Anisotropie und vielleicht herausstechendstes Merkmal der meisten flüssigkristallinen Phasen ist die Doppelbrechung. Diese lässt sich polarisationsmikroskopischnachweisen: Flüssigkristalle erscheinen hier mit bestimmten, oft sehr charakteristischen Texturen, die sich zur vorläufigen Bestimmung der flüssigkristallinen Phasen bzw. Phasensequenzen eignen. Die Anreihung der verschiedenen auftretenden Phasen eines Flüssigkristalls in Abhängigkeit von der Temperatur nennt man Polymorphie.
EinteilungMan kann zwischen lyotropen, thermotropen und barotropen Flüssigkristallen unterscheiden. Während man bei thermotropen bzw. barotropen Flüssigkristallen die Ausbildung ihrer Mesophasen in Abhängigkeit von Temperatur resp. Druck in der reinen Substanz beobachtet, bedingt die Ausbildung von lyotropen Mesophasen der Anwesenheit eines Lösungsmittels und ist abhängig von Konzentration. Amphitrope Flüssigkristalle zeigen sowohl lyotrope als auch thermotrope Mesophasen. Die Moleküle, welche aggregiertdie flüssigkristalline Phase ausmachen, nennt man Mesogene. Voraussetzung für die Ausbildung einer flüssigkristallinen Phase ist die Anisometrieder sie konstituierenden Baueinheiten. Die weitaus meisten erforschten Flüssigkristalle sind von stäbchenförmiger (kalamitischer) Molekülgestalt; aber auch vielfältige andere Formen sind möglich, z. B. diskoide (scheibchenförmige), pyramidoide (schüssel- oder kegelförmige), sanidische (brettartige), polycatenare (kalamitische mit mehreren flexiblen Ketten an einem oder beiden Enden) oder gebogene (bananenförmige) Moleküle. Thermotrope flüssigkristalline PhasenEs gibt verschiedene thermotrope flüssigkristalline Phasen, die sich durch ihre mikroskopische Struktur und ihr makroskopisches Erscheinen deutlich voneinander unterscheiden, so z. B.
Nematische PhasenBild:Nematisch.png Nematische Phase - Stäbchen weisen eine Vorzugsorientierung auf Die nematische Phase achiralerMesogene ist der einfachste Typ flüssigkristalliner Phasen. In ihr weisen die Moleküle eine Orientierungsordnung bezüglich eines sogenannten Direktors, dem Einheitsvektorder Richtung, auf. Die daraus folgende Vorzugsorientierung ist in der Regel nur für kleine Volumina konstant. Die Molekülschwerpunktesind analog zu Flüssigkeiten statistisch verteilt: es tritt keinerlei Positionsfernordnungauf. Die meisten nematischen Phasen sind uniaxial, seit 2004sind auch thermotrope biaxiale nematische Phasen bekannt. Typische Texturen nematischer Phasen sind Faden- oder Schlierentexturen. Für nematische Phasen lässt sich auf einfache Weise ein OrdnungsparameterS berechnen:
wobei der Winkel ? die Orientierung eines herausgegriffenen Moleküles zur Vorzugsorientierung beschreibt; die spitzen Klammern bedeuten eine Mittelung über die Orientierungsverteilung aller Moleküle. Der Ordnungsparameter kann Werte zwischen -0,5 und 1 annehmen. S = 0 zeigt eine fehlende Vorzugsorientierung an (entsprechend einer isotrope Phase), S=1 bedeutet eine vollständig parallele Ausrichtung aller Moleküle (ein Idealzustand). S = -0,5 entspricht einer Orientierungsverteilung der Moleküle ähnlich den Borsten einer Flaschenbürste. Negative Ordnungsparameter wurden allerdings experimentell noch nicht gefunden. Der Ordnungsparameter weist eine starke Temperaturabhängigkeit auf. Er geht bei Annäherung an den Klärpunkt (Temperatur des Übergangs einer Mesophase in die isotrope Phase) rasch gegen null. Die Moleküle einer nematischen Phase lassen sich einfach durch ein elektrisches Feld reorientieren. Dies wird bei LCDs ausgenutzt (LCD: Abkürzung für Liquid Crystal Display, englisch für Flüssigkristall-Anzeige). Bild:Cholesterinisch.png Cholesterische Phase Die cholesterische Phase weist eine nematische Ordnung mit sich kontinuierlich drehender Vorzugsorientierung auf. Dies ergibt eine langreichweitige helikaleÜberstruktur mit einer Periodizitätvon typischerweise einigen 100 nm. Das sich so ergebende kontinuierlich verdrillte optische Medium wirkt als eindimensionaler photonischer Kristallmit einer photonischen Bandlücke für zirkular polarisiertesLicht mit der gleichen Händigkeitwie die helikale Ordnung. Cholesterische Flüssigkristallfilme zeigen deshalb Selektivreflexion von zirkular polarisiertem Licht. Im Gegensatz zur Reflexionan metallischenoder herkömmlichen dielektrischen Spiegelnbleibt die Händigkeit der Zirkularpolarisation erhalten. Smektische PhasenBild:Smektisch.png Smektische Phase Es gibt mannigfaltige smektische Phasen. Sie wurden in der Reihenfolge ihrer Entdeckung mit smektisch A, smektisch B usw. bezeichnet (abgekürzt durch SmA, SmB ...). Von der Vielzahl smektischer Phasen früherer Jahre blieben nach genaueren Untersuchungen nur fünf übrig (SmA, SmC, SmB, SmF und SmI). Die anderen (ehemals SmE, SmG, SmH, SmJ und SmK) stellten sich als soft crystals, gestörte Kristallemit ausgeprägter Verformbarkeit, heraus und werden heute als kristalline Phasen bezeichnet. Die smektische D-Phase wiederum entpuppte sich als eine dreidimensionale Mesophase mit kubischerÜberstruktur. In smektischen Phasen sind die Moleküle in Schichten so angeordnet, dass sie eine eindimensionalperiodischeStruktur ausbilden. Man unterscheidet sie nach dem Grad der Ausbildung einer Ordnunginnerhalb der Schicht in smektische Phasen aus ungeordneten Schichten (SmA und SmC) und hexatische Phasen (SmB, SmF und SmI). Während in der SmA-Phase die Längsachsender Moleküle im Mittel senkrecht auf der Schicht stehen, also parallel zur Schichtnormalelaufen, ist die mittlere Moleküllängsachse in SmC-Phasen zur Schichtnormale geneigt. In diesen beiden Mesophasen haben die Moleküle innerhalb der Schicht keine Positionsfernordnung- man könnte von einer zweidimensionalenFlüssigkeit sprechen. Die klassische polarisationsmikroskopische Erscheinung von SmA- und SmC-Phasen ist eine Fächer- oder Polygontextur. SmC-Phasen zeigen häufig auch Schlierentexturen. Im Gegensatz dazu tritt bei den hexatischen Phasen eine hexagonalePositionsnahordnungund eine Fernordnungder Elementarzelleauf (bond orientational order). Die SmB-Phase ist analog zu SmA-Phase aus senkrecht zur Schicht stehenden Moleküle aufgebaut, während diese in SmI- und SmF-Phasen geneigt sind. Kolumnare PhasenDas Charakteristikum kolumnarer Phasen ist die Ausbildung von Säulengestapelter scheibenförmiger, keilförmiger, polycatenarer o.a. Mesogene. Entlang der Säulen tritt keine Positionsfernordnung auf. Durch die paralleleAneinanderreihung der Säulen wird senkrecht zu den Säulenlängsachsen eine zweidimensionalePackungbewirkt. Je nach Natur dieser Packung kann man zwischen schiefwinkligen, rechtwinkligenoder hexagonalenkolumnaren Mesophasen unterscheiden. Charakteristische Texturen sind Mosaiktexturenoder Texturen aus zirkularen Domänen. Die ältere Bezeichnung diskotisch für kolumnar ist veraltet bzw. sollte nur für Mesophasen scheibchenförmiger Flüssigkristalle gebraucht werden. Lyotrope flüssigkristalline PhasenEs gibt verschiedene lyotrope flüssigkristalline Phasen, die sich durch ihre mikroskopische Struktur und ihr makroskopisches Erscheinen deutlich voneinander unterscheiden, so z. B.
Nematische lyotrope MesophaseNematische lyotrope Mesophasen sind erst seit 1967 bekannt. Sie treten nur in wenigen lyotropen Systemen auf. Meist ist eine Induktion der nematischen Phase durch Zusätze von Cotensiden oder Elektrolyten notwendig. Einige wenige Ausnahmen sind bekannt, bei denen binäre Tensid/Wasser-Gemische eine nematische Phase aufweisen:
Strukturell ähnelt die lyotrope nematische Phase der thermotropen Phasen: Es herrscht eine einzige Vorzugsrichtung für die jeweils ausgezeichnete Achse der Aggregate. Die Aggregate sind Scheibchen- oder Stäbchenmizellen. Hexagonale lyotrope PhaseIn Tensid/Wasser-Systemen mit mittleren Mischungsverhältnissen (etwa 50-Gew.% Tensid) werden häufig Phasen mit ungewöhnlich hoher Viskosität beobachtet, was meist auf eine hexagonale Phase hindeutet. Der Existenzbereich erstreckt sich in vielen Fällen über weite Temperatur- und Konzentrationsbereiche. Bei den hexagonal positionsferngeordneten Aggregaten handelt es sich um kreis- oder ovalzylindrische Stäbchen. Die Positionsfernordnung beasteht in einer Anordnung der Aggregate in einem hexagonalen Gitter, d.h. jedes Aggregate in sechs weiteren in der hexagonal dichtesten Packung umgeben. VerwendungFlüssigkristalle vor allem der nematischen Phase werden in LC-Bildschirmenbenutzt. Außerdem existiert eine Reihe von Verwendungen in weiteren Bereichen, die Veränderungen verschiedener Eigenschaften der Flüssigkristalle mit physikalischen Parametern (Temperatur, Druck, etc.) ausnutzen. Beispielsweise kann man Farbveränderungen von cholesterinischen Phasen in Abhängigkeit von der Temperatur für medizinische oder technische Zwecke einsetzen. Literatur
Siehe auch
Weblinks
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