mini|hochkant=1.5|Polarisationsmikroskopische Aufnahme eines Flüssigkristalls: Schlieren-Textur einer nematischen flüssigkristallinen Phase, wie sie auch in Flüssigkristallbildschirmen verwendet wird Als Flüssigkristall bezeichnet man eine Substanz, die einerseits flüssig ist, andererseits aber auch richtungsabhängige (anisotrope) physikalische Eigenschaften aufweist wie ein Kristall. Mit ihrer Kombination aus Fluidität und Anisotropie werden Flüssigkristalle vor allem in Flüssigkristallbildschirmen und -anzeigen () verwendet. Die meisten Flüssigkristalle sind optisch doppelbrechend. Unter dem Polarisationsmikroskop zeigen sie dann charakteristische Texturen. Flüssigkristalle sind der „Weichen Materie“ zuzuordnen.
Zusätzlich zu den seit dem ausgehenden 19. Jahrhundert bekannten, niedermolekularen Flüssigkristallen wurden in der 2. Hälfte des 20. Jahrhunderts flüssigkristalline Polymere und Elastomere entdeckt.
Üblicherweise meint man mit Flüssigkristall thermotrope Flüssigkristalle. Diese treten beim Erwärmen von bestimmten Substanzen beim Schmelzen als Zwischenphase (Mesophase) zwischen der festen und der flüssigen Phase auf. Die meisten Flüssigkristalle bestehen aus langgestreckten Molekülen. Das gilt auch für flüssigkristalline Polymere,
Daneben gibt es lyotrope Flüssigkristalle. Diese bilden sich, wenn amphiphile Substanzen (wie Tenside) in einem Lösungsmittel (beispielsweise Wasser) gelöst werden. Bei geeigneter Konzentration des Amphiphils kommt es zur Ausbildung von submikroskopischen Strukturen wie Vesikeln und Mizellen, die sich im Lösungsmittel symmetrisch anordnen und dadurch eine anisotrope Flüssigkeit bilden.
Geschichte Die Erstbeschreibung eines Flüssigkristalls geht auf Friedrich Reinitzer zurück. 1888 beschrieb er das farbenprächtige Erscheinungsbild beim Schmelzen und Erstarren von Cholesterylbenzoat, dem Benzoesäureester des Cholesterins.F. Reinitzer: Beiträge zur Kenntniss des Cholesterins. In: Monatsh. Chem. 9, S. 421–441, 1888. Dabei bemerkte er, dass diese Verbindung bereits bei 145,5 °C flüssig wurde, die polarisationsmikroskopische Doppelbrechung bzw. milchig-trübes Aussehen jedoch bis 179 °C fortbestand. Erst bei Temperaturen über 179 °C entstand eine glasklare, „normale“ Flüssigkeit. Daraufhin untersuchte Otto Lehmann diese wie auch weitere Substanzen und sprach erstmals von fließenden Kristallen.O. Lehmann: Über fliessende Krystalle. In: Z. Phys. Chem. 4, S. 462–472, 1889. In den 1920er Jahren erfolgten erste, grundlegende Untersuchungen an Flüssigkristallen durch Georges FriedelG. Friedel: Les états mésomorphes de la matière. In: Ann. Physique 18, S. 273–474, 1922. und Daniel Vorländer.D. Vorländer: Die Erforschung der molekularen Gestalt mit Hilfe der kristallinischen Flüssigkeiten. In: Z. Phys. Chem. 105, S. 211–254, 1923. Technisches Interesse wurde den Flüssigkristallen erst durch die Entdeckung elektrooptischer Schaltbarkeit durch George H. Heilmeier zuteil.G. H. Heilmeier, L. A. Zanoni: Guest-host interactions in nematic liquid crystals. A new electro-optic effect. In: Appl. Phys. Lett. 13, S. 91–92, 1968.
Einen Übersichtsartikel zur Geschichte der LCDs schrieb H. Kawamoto. Ein Kompendium mit 46 übersichtsweise kommentierten, klassischen Arbeiten über Physik, Chemie und Anwendungstechnik der Crystals that Flow stammt von Sluckin et al. (s. Abschn. 6). Im Karlsruher Institut für Technologie gibt es vor dem Otto-Lehmann-Hörsaal des Physikalischen Instituts eine Dauerausstellung zur Flüssigkristall-Historie Vom Cholesterin zum Flachbildschirm, und eine umfangreiche Publikationsliste findet sich unter „Geschichte“ auf der Website der Deutschen Flüssigkristall-Gesellschaft (Weblinks dazu im Abschn. 8).
Begriffe und Einteilung Flüssigkristalline Phasen, auch Mesophasen genannt, bilden zusammen mit den konformationsungeordneten Kristallen und den plastischen Kristallen einen eigenen Aggregatzustand, den man mesomorphen Zustand nennt. Eine Verbindung, die eine flüssigkristalline Phase zeigt, nennt man mesogen. Ist diese Mesophase eine nematische Phase (von „Faden“), so nennt man die Verbindung nematogen, ist sie eine smektische Phase, smektogen.
Man kann zwischen lyotropen, thermotropen und barotropen Flüssigkristallen unterscheiden. Bei thermotropen bzw. barotropen Flüssigkristallen beobachtet man die Ausbildung ihrer Mesophasen in Abhängigkeit von Temperatur oder Druck in der reinen Substanz.
Die Ausbildung von lyotropen Mesophasen erfordert die Anwesenheit eines Lösungsmittels und ist zusätzlich abhängig von dessen Konzentration.
Amphitrope Flüssigkristalle zeigen sowohl lyotrope als auch thermotrope Mesophasen.
Bei thermodynamisch stabilen Mesophasen spricht man von enantiotropen, bei metastabilen Mesophasen von monotropen Mesophasen (wie bei kristallinen Phasen).
Die Anreihung der verschiedenen auftretenden Phasen eines Flüssigkristalls in Abhängigkeit von der Temperatur nennt man Polymorphie.
Voraussetzung für die Ausbildung einer flüssigkristallinen Phase ist die Anisometrie der sie bildenden Baueinheiten. Die weitaus meisten erforschten Flüssigkristalle (auch diejenigen in Flüssigkristallanzeigen) haben eine stäbchenförmige (kalamitische) Molekülgestalt.
Aber auch viele 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.
Neben den niedermolekularen gibt es auch hochmolekulare Mesogene, die ebenfalls thermotrope oder lyotrope Flüssigkristalle bilden. Letztere treten bei „LC-Hauptkettenpolymeren“ auf (LC für Liquid Crystals), während „LC-Seitenkettenpolymere“ auch thermotrope Flüssigkristalle bilden (s. Weblink zu T. Labude im Abschn. 8). - Hochorganisierte Molekülverbände aus Biopolymeren wie das Tabakmosaikvirus können ebenfalls (lyotrop) mesogen sein.
Thermotrope flüssigkristalline Phasen Es gibt verschiedene thermotrope flüssigkristalline Phasen, die sich durch ihre mikroskopische Struktur und ihr makroskopisches Erscheinen deutlich voneinander unterscheiden, so z. B.
nematische Phasen, smektische Phasen, kolumnare Phasen.
Nematische Phasen mini|hochkant=1.5|Nematische Phase – Stäbchen weisen eine Vorzugsorientierung auf
Die nematische Phase achiraler Mesogene ist der einfachste Typ flüssigkristalliner Phasen. In ihr weisen die Moleküle eine Orientierungsordnung bezüglich eines so genannten Direktors, des Einheitsvektors der Richtung, auf. Die daraus folgende Vorzugsorientierung ist in der Regel nur für kleine Volumina konstant. Die Molekülschwerpunkte sind analog zu Flüssigkeiten statistisch verteilt: Es tritt keinerlei Positionsfernordnung auf. Die meisten nematischen Phasen sind uniaxial, seit 2004 sind auch thermotrope biaxiale nematische Phasen bekannt. Typische Texturen nematischer Phasen sind Faden- oder Schlierentexturen.
Für nematische Phasen lässt sich auf einfache Weise ein Ordnungsparameter S berechnen:
,
wobei der Winkel θ die Orientierung eines herausgegriffenen Moleküls 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 isotropen 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.
Man unterscheidet prinzipiell zwei verschiedene Arten nematischer Phasen: uniaxiale und biaxiale nematische Phasen. Der Begriff uniaxial bedeutet, dass es im Material nur eine optische Achse gibt, entlang der polarisiertes Licht die Probe durchdringen kann, ohne seinen Polarisationszustand zu ändern. Dies resultiert daraus, dass die Indikatrix solcher Phasen einen Rotationsellipsoiden darstellt. Diese Indikatrix gibt die Abhängigkeit des Brechungsindex von der Richtung an. Analog dazu gibt es bei biaxial nematischen Phasen zwei optische Achsen, da die Indikatrix kein Rotationsellipsoid, sondern ein allgemeines Ellipsoid ist.
mini|hochkant=1.5|Cholesterische Phase
Die cholesterische Phase weist eine nematische Ordnung mit sich kontinuierlich drehender Vorzugsorientierung auf. Dies ergibt eine langreichweitige helikale Überstruktur mit einer Periodizität von typischerweise einigen 100 Nanometern.
Das sich so ergebende kontinuierlich verdrillte optische Medium wirkt als eindimensionaler photonischer Kristall mit einer photonischen Bandlücke für zirkular polarisiertes Licht mit der gleichen Händigkeit wie die helikale Ordnung. Cholesterische Flüssigkristallfilme zeigen deshalb Selektivreflexion von zirkular polarisiertem Licht. Im Gegensatz zur Reflexion an metallischen oder herkömmlichen dielektrischen Spiegeln bleibt die Händigkeit der Zirkularpolarisation erhalten.
Smektische Phasen mini|hochkant=1.5|Smektische Phase
Es gibt mannigfaltige smektische Phasen. Sie wurden in der Reihenfolge ihrer EntdeckungH. Sackmann: Smectic Liquid Crystals. A Historical Review. In: Liquid Crystals. An International Journal. 5, 1989, S. 43–55. mit smektisch A, smektisch B usw. bezeichnet (abgekürzt durch SmA, SmB, …).H. Arnold: 50 Jahre Mischbarkeitsregel für Flüssigkristalle. 2013. (Wiedergegeben in der Digitalen Bibliothek Thüringen) 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 Kristalle mit ausgeprägter Verformbarkeit“ – heraus und werden heute als kristalline Phasen bezeichnet. Die smektische D-Phase wiederum entpuppte sich als eine dreidimensionale Mesophase mit kubischer Überstruktur. Gemeinsam mit den Flüssigkristallen gehören sie zur Weichen Materie.
In smektischen Phasen sind die Moleküle in Schichten so angeordnet, dass sie eine ein- oder zweidimensional periodische Struktur ausbilden. Man unterscheidet sie nach dem Grad der Ausbildung einer Ordnung innerhalb der Schicht in smektische Phasen aus ungeordneten Schichten (SmA und SmC) und hexatische Phasen (SmB, SmF und SmI).
Während in der SmA-Phase die Längsachsen der Moleküle im Mittel senkrecht auf der Schicht stehen, also parallel zur Schichtnormale laufen, 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 zweidimensionalen Flüssigkeit sprechen. Die klassische polarisationsmikroskopische Erscheinung von SmA- und SmC-Phasen ist eine Fächer- oder Polygontextur. SmC-Phasen zeigen häufig auch Schlierentexturen. Betrachtet man dünne freistehende Filme, so erscheint die SmA-Phase schwarz, die SmC-Phase weist Schlierentexturen und Defekte auf.
Im Gegensatz dazu tritt bei den hexatischen Phasen eine hexagonale Positionsnahordnung und eine Fernordnung der Elementarzelle auf (bond orientational order). Die SmB-Phase ist analog zu SmA-Phase aus senkrecht zur Schicht stehenden Molekülen aufgebaut, während diese in SmI- und SmF-Phasen geneigt sind.
Kolumnare Phasen