Flüssigkristalle

Merkmale von Flüssigkristallen

Zwischenzustände zwischen Feststoffen und Flüssigkeiten – Mesophasen – werden als Flüssigkristalle bezeichnet.  Ihre Moleküle haben eine längliche oder diskoide Form.  Flüssigkristalle wurden 1888 von dem deutschen Botaniker F. Reinitzier entdeckt. Er untersuchte eine Verbindung namens Cholesterinbenzoat.  Als er diese Substanz erhitzte, beobachtete er den Übergang der Kristalle des Festkörpers in eine trübe Flüssigkeit.  Eine weitere Erhöhung der Temperatur führte zur Bildung einer klaren Flüssigkeit.  Nachfolgende Studien von Reinitzier und anderen Forschern konzentrierten sich auf die Merkmale des resultierenden Übergangszustands, d.h. der Flüssigkristalle.

Flüssigkristalle werden aufgrund der Anordnung der Moleküle unterteilt in:

• smektische Phasen, S – Teilchen sind in aufeinanderfolgenden Schichten angeordnet. Ihre Achsen sind parallel zueinander.
• kolumnare Phasen, D – wie bei der smektischen Phase, die Achsen sind parallel zueinander. Die Moleküle sind säulenförmig angeordnet.
• nematische Phasen, N – frei bewegliche Moleküle, richten sich in bestimmten Richtungen im Raum aus. Bei den nematischen Phasen sind ihre Schwerpunkte nicht geordnet.

Flüssigkristalle vereinen die Eigenschaften von Flüssigkeiten (Fließfähigkeit) und Festkörpern (geordnete Struktur).  Dieser Zustand wird für eine bestimmte Substanz nur innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs aufrechterhalten. Unter dem Einfluss auch nur einer kleinen Änderung des elektrischen Stroms oder der Temperatur verändert sich ihre Struktur. Flüssigkristalline Phasen haben sehr gute optische Eigenschaften. Sie weisen linearen und zirkularen Dichroismus auf.

Methoden zur Gewinnung von Flüssigkristallen

Flüssigkristalline Phasen sind nur für Substanzen möglich, deren Moleküle die richtige Struktur aufweisen – stark anisotrope Form, Amphiphilie. Sie werden in Ein- und Mehrkomponentensystemen gebildet. Der wichtigste Faktor für die Bildung von Flüssigkristallen ist die allmähliche Änderung der Temperatur. Sie hat einen strikten Einfluss auf die Abfolge der nacheinander auftretenden Phasen. Diese Abfolge kann wie folgt dargestellt werden: Kristall – smektische Phase – nematische Phase – kolumnare Phase – isotrope Flüssigkeit.

Eine der Methoden zur Gewinnung von Flüssigkristallen ist das Erhitzen der festen kristallinen Form einer bestimmten Substanz. Die entstehenden Kristalle werden als thermotrope Mesophase bezeichnet. Die Erhöhung der Temperatur bewirkt nicht das sofortige Schmelzen des festen Stoffes, sondern den Übergang seiner kristallinen Form in eine flüssigkristalline Form.  Bei weiterer Erwärmung entsteht eine Flüssigkeit.

Eine andere Methode besteht darin, Moleküle, die bekanntermaßen in flüssigkristallinen Phasen vorliegen, in einem geeigneten Lösungsmittel aufzulösen.  Solche Kristalle werden als lyotrope Mesophase bezeichnet.

Verwendungen von Flüssigkristallen

Zweifellos werden Flüssigkristalle am häufigsten mit Displays in Verbindung gebracht.  Die so genannten LCD-Flüssigkristallanzeigen, weil von denen hier die Rede ist, nutzen das Phänomen der optischen Doppelbrechung.  Die Zellen, in die die Flüssigkristalle eingebettet sind, sind durch Elektroden verbunden. Durch die Steuerung der entstehenden Spannung werden die Moleküle so angeordnet, dass ein Lichtbrechungseffekt entsteht. Wenn man die Flüssigkristalle mit Farbstoffen mischt, absorbieren sie je nach Ausrichtung der Moleküle Licht in verschiedenen Wellenlängen und man kann ein farbiges Bild erhalten. Der LCD-Bildschirm kann im Vergleich zu Röhrenmonitoren mit maximaler Auflösung nur in der tatsächlichen Auflösung arbeiten. Dies wird durch die feste Pixelanzahl erzwungen. Dank der geringeren Bildwiederholfrequenz tritt auch der so genannte Flimmereffekt nicht auf. Zu den unbestrittenen Vorteilen von LCD-Bildschirmen gehören auch ein geringerer Stromverbrauch, die Erzeugung eines schwächeren Magnetfelds und weniger schädliche Auswirkungen auf das Sehvermögen. LCD-Bildschirme wurden auch in Luftfahrtinstrumenten, Taschenrechnern oder elektronischen Uhren eingesetzt.

Weitere Verwendungsmöglichkeiten von Flüssigkristallen:

• Als Zusatzstoffe für Farben und Emulsionen zeigen sie die Fähigkeit, ihre Farbe zu ändern, wenn sie der Temperatur ausgesetzt werden (Tönung von Autoscheiben, Spielzeug, das beim Baden seine Farbe ändert).
• Cremes mit Flüssigkristallen werden immer beliebter. Sie verhindern den Wasserverlust aus der Epidermis.
• In einigen Thermometern werden Flüssigkristalle verwendet. Sie nutzen die Farbveränderung des reflektierten Lichts in Abhängigkeit von der Temperatur. Eine ähnliche Funktion wird bei Temperaturdetektoren verwendet.
• Eine interessante Lösung ist die Verwendung von Flüssigkristallen als Logikgatter. Sie werden u.a. in der Optoelektronik eingesetzt, wo sogenannte nichtlineare Phänomene genutzt werden.