Flüssigkristall

Grundidee und Einteilung

Ein Flüssigkristall ist eine Substanz, die flüssig ist, zugleich aber richtungsabhängige, also anisotrope, physikalische Eigenschaften wie ein Kristall besitzt. Die meisten Flüssigkristalle sind optisch doppelbrechend und zeigen unter dem Polarisationsmikroskop charakteristische Texturen. Wegen ihrer Verbindung von Fluidität und geordneter Ausrichtung gehören sie zur „Weichen Materie“ und sind besonders für Flüssigkristallanzeigen (LCDs) wichtig.

Flüssigkristalline Phasen heißen auch Mesophasen. Zusammen mit konformationsungeordneten und plastischen Kristallen bilden sie den mesomorphen Zustand. Eine Verbindung, die eine Mesophase ausbildet, heißt mesogen; entsprechend nennt man Stoffe mit nematischer Phase nematogen und solche mit smektischer Phase smektogen.

Die wichtigsten Gruppen sind:

• Thermotrope Flüssigkristalle bilden ihre Mesophasen in der reinen Substanz abhängig von der Temperatur. Häufig erscheint beim Schmelzen eine Mesophase zwischen festem Kristall und normaler Flüssigkeit.
• Barotrope Flüssigkristalle bilden Mesophasen abhängig vom Druck.
• Lyotrope Flüssigkristalle benötigen ein Lösungsmittel; ihre Phasen hängen zusätzlich von der Konzentration ab.
• Amphitrope Flüssigkristalle können sowohl lyotrope als auch thermotrope Mesophasen zeigen.

Thermodynamisch stabile Mesophasen heißen enantiotrop, metastabile monotrop. Die temperaturabhängige Abfolge verschiedener Phasen eines Flüssigkristalls wird Polymorphie genannt.

Voraussetzung für Flüssigkristallinität ist die Anisometrie, also eine nicht in alle Richtungen gleiche Gestalt der Baueinheiten. Besonders häufig sind stäbchenförmige, sogenannte kalamitische Moleküle; sie werden auch in LCDs verwendet. Daneben kommen diskoide (scheibchenförmige), pyramidoide (schüssel- oder kegelförmige), sanidische (brettartige), polycatenare und gebogene beziehungsweise bananenförmige Moleküle vor. Neben niedermolekularen Stoffen können Polymere, Elastomere und hoch organisierte Biopolymerverbände wie das Tabakmosaikvirus Mesophasen bilden.

Entdeckung und technische Bedeutung

Friedrich Reinitzer beschrieb 1888 erstmals einen Flüssigkristall. Beim Cholesterylbenzoat beobachtete er zwei deutlich getrennte Übergänge: Die Verbindung wurde bei 145,5 °C flüssig, blieb aber bis 179 °C doppelbrechend beziehungsweise milchig-trüb. Erst oberhalb von 179 °C entstand eine glasklare, normale Flüssigkeit. Otto Lehmann untersuchte diese und weitere Stoffe und bezeichnete sie als fließende Kristalle.

In den 1920er Jahren führten Georges Friedel und Daniel Vorländer grundlegende Untersuchungen durch. Größere technische Bedeutung erhielten Flüssigkristalle durch George H. Heilmeiers Entdeckung ihrer elektrooptischen Schaltbarkeit, also der Möglichkeit, ihre optischen Eigenschaften mit einem elektrischen Feld zu verändern.

Thermotrope Phasen

Thermotrope Flüssigkristalle werden vor allem in nematische, smektische und kolumnare Phasen eingeteilt.

Die nematische Phase achiraler Mesogene ist der einfachste Typ. Die Moleküle besitzen eine gemeinsame Vorzugsorientierung, die durch den Direktor, einen Einheitsvektor, beschrieben wird. Ihre Schwerpunkte sind jedoch wie in einer Flüssigkeit statistisch verteilt; eine Positionsfernordnung fehlt. Die meisten nematischen Phasen sind uniaxial und besitzen eine optische Achse. Seit 2004 sind auch thermotrope biaxiale nematische Phasen mit zwei optischen Achsen bekannt. Typisch sind Faden- und Schlierentexturen.

Der Grad der Ausrichtung wird durch den Ordnungsparameter beschrieben:

S = ⟨(3 cos² θ − 1)/2⟩.

Dabei ist θ der Winkel zwischen der Längsachse eines Moleküls und der Vorzugsorientierung; die spitzen Klammern bedeuten die Mittelung über alle Moleküle. S kann zwischen −0,5 und 1 liegen. S = 0 entspricht fehlender Vorzugsorientierung und damit einer isotropen Phase, S = 1 einer vollständig parallelen Ausrichtung. S = −0,5 beschreibt eine Verteilung ähnlich den Borsten einer Flaschenbürste, wurde experimentell aber noch nicht gefunden. Beim Annähern an den Klärpunkt, also die Übergangstemperatur von der Mesophase zur isotropen Phase, fällt S rasch gegen null. Da ein elektrisches Feld die Moleküle leicht neu ausrichten kann, eignet sich die nematische Phase für LCDs.

Die cholesterische Phase besitzt ebenfalls nematische Ordnung, doch dreht sich ihre Vorzugsrichtung kontinuierlich. Dadurch entsteht eine helikale Überstruktur mit einer typischen Periodizität von einigen 100 Nanometern. Das Material wirkt wie ein eindimensionaler photonischer Kristall und reflektiert zirkular polarisiertes Licht mit derselben Händigkeit wie die Helix. Anders als bei metallischen oder üblichen dielektrischen Spiegeln bleibt die Händigkeit bei dieser Reflexion erhalten.

Smektische Phasen besitzen Schichten und damit eine ein- oder zweidimensional periodische Struktur. Heute unterscheidet man fünf eigentliche smektische Phasen: SmA, SmC, SmB, SmF und SmI. Frühere weitere Zuordnungen erwiesen sich als verformbare kristalline Phasen; die frühere SmD-Phase ist eine dreidimensionale Mesophase mit kubischer Überstruktur. SmA und SmC haben ungeordnete Schichten: In SmA stehen die mittleren Moleküllängsachsen senkrecht zur Schicht, in SmC sind sie gegen die Schichtnormale geneigt. Innerhalb der Schicht fehlt die Positionsfernordnung, sodass sie als zweidimensionale Flüssigkeiten aufgefasst werden können. Typisch sind Fächer- oder Polygontexturen; SmC zeigt häufig auch Schlierentexturen. Die hexatischen Phasen SmB, SmF und SmI besitzen dagegen hexagonale Positionsnahordnung sowie Fernordnung der Orientierung ihrer Elementarzellen. Bei SmB stehen die Moleküle senkrecht, bei SmF und SmI geneigt zur Schicht.

Kolumnare Phasen bestehen aus Säulen gestapelter scheibenförmiger, keilförmiger, polycatenarer oder anderer Mesogene. Parallel angeordnete Säulen bilden quer zu ihrer Längsachse eine zweidimensionale Packung, die schiefwinklig, rechtwinklig oder hexagonal sein kann. Entlang der Säulen kann Positionsfernordnung auftreten. In der Columnar-hexagonal-plastischen Phase bestimmter Triphenylensysteme besteht sogar dreidimensionale Ordnung; die Moleküle können an ihren Plätzen lediglich frei rotieren. Mosaiktexturen und kreisförmige Domänen sind charakteristisch. Die Bezeichnung „diskotisch“ für alle kolumnaren Phasen ist veraltet und sollte nur für Mesophasen scheibchenförmiger Flüssigkristalle verwendet werden.

Lyotrope Phasen

Lyotrope Flüssigkristalle entstehen, wenn amphiphile Stoffe wie Tenside in einem Lösungsmittel, beispielsweise Wasser, gelöst werden. Amphiphile besitzen sowohl lösungsmittelfreundliche als auch lösungsmittelmeidende Bereiche. Bei geeigneter Konzentration bilden sie submikroskopische Aggregate wie Mizellen oder Vesikel. Deren symmetrische Anordnung erzeugt die anisotrope Flüssigkeit. Zu den lyotropen Phasen gehören diskontinuierliche mizellare kubische, nematische, hexagonale, bikontinuierliche kubische, lamellare und inverse kubische Phasen.

Lyotrope nematische Mesophasen sind seit 1967 bekannt und treten nur in wenigen Systemen auf. Häufig müssen Cotenside oder Elektrolyte zugesetzt werden, um sie hervorzurufen. Ausnahmen mit einer nematischen Phase in binären Tensid-Wasser-Gemischen sind Hexadecyltrimethylammoniumbromid/Wasser und Cäsiumperfluoroctanoat/Wasser. Strukturell ähneln diese Phasen thermotropen nematischen Phasen: Scheibchen- oder Stäbchenmizellen besitzen eine einzige Vorzugsrichtung.

Hexagonale lyotrope Phasen treten in Tensid-Wasser-Systemen häufig bei mittleren Mischungsverhältnissen von etwa 50 Gew.-% Tensid auf. Sie haben eine ungewöhnlich hohe Viskosität und können über große Temperatur- und Konzentrationsbereiche bestehen. Ihre kreis- oder ovalzylindrischen Aggregate sind in einem hexagonalen Gitter positionsferngeordnet: Jedes Aggregat ist von sechs weiteren in hexagonal dichtester Packung umgeben.

Anwendungen

Die wichtigste Anwendung sind LCD-Bildschirme und andere Flüssigkristallanzeigen. Sie nutzen vor allem thermotrope nematische Phasen: Ein elektrisches Feld verändert die Ausrichtung der Moleküle und dadurch die optischen Eigenschaften des Materials.

Dasselbe Prinzip dient zum automatischen Abblenden von Fahrzeuginnenspiegeln. Die Stärke des elektrischen Feldes wird abhängig vom einfallenden Licht geregelt. Je nach Feldstärke richten sich die Flüssigkristallmoleküle unterschiedlich stark aus und verändern das Reflexionsvermögen des Spiegels.

Andere Anwendungen beruhen auf Veränderungen durch Temperatur, Druck oder weitere physikalische Größen. Cholesterische Phasen können temperaturabhängig ihre Farbe ändern. Aufklebbare Temperatursensoren zeigen deshalb bei festgelegten Temperaturen reversible oder irreversible Farbwechsel. Bei der Hot-Spot-Analyse wird damit die Wärmeverteilung integrierter Schaltkreise sichtbar gemacht, um Defekte zu finden. Sensorfolien ermöglichen außerdem die Kontrolle der Maximaltemperatur von Bauteilen und Kühlkörpern ohne direkten Kontakt mit einem Thermometer. Manche Folien besitzen mehrere Flächen, die beispielsweise in Abständen von 5 Kelvin ihre Farbe wechseln. In Wohnzimmerthermometern wurden auch Skalen mit einem Umfang von 25 °C verwendet.

Mesophasiger Teer dient außerdem als Ausgangsmaterial für Kohlenstofffasern, die Pitchfasern, Teerfasern oder Pechfasern genannt werden.