8.2.3. Allgemeine Informationen zu Mesophasen (Flüssigkristallen)
Auf dieser Seite erfahren Sie mehr zu einigen grundlegenden Themen im Zusammenhang mit Mesophasen (Flüssigkristallen). Es sind
- Beschreibung von Mesophasen – Kurzinfo : gleich hier
- Der Director : Kapitel 8.2.3.1. – Es geht um die Richtungen der Moleküle.
- Der Ordnungsparameter : Kapitel 8.2.3.2. – Es geht um das Maß der Richtungsverteilung.
- Beschreibung von Phasenübergängen : Kapitel 8.2.3.3. – Es geht um einen normierten Code.
- Warum bilden sich Mesophasen ? Kapitel 8.2.4. – 3 Gründe, ihre Wirkungen und die Stellschrauben, an denen man drehen kann, um bestimmte Eigenschaften zu erreichen.
Bild 1 : Moleküle in einer flüssigkristallinen Phase, Simulation. Um die Richtungen, die die Moleküle einnehmen, und um die Gründe, warum sie gerade diese Richtungen einnehmen, geht es auf dieser Seite.
8.2.3. Beschreibung von Mesophasen
Flüssigkristalline Phasen sind anisotrop. Das ist keine Aussage über die Form der Moleküle, sondern über den Flüssigkristall selbst.
Flüssigkristalle (Mesophasen) bestehen aus Aggregaten (man kann sie auch Zusammenballungen, Cluster, Domänen, Ensembles oder noch anders nennen), in denen eine gewisse Anzahl von Molekülen eine gewisse Zeitlang zusammenbleibt. Mit Absicht habe ich eine solch vage Formulierung gewählt, denn die Größe und zeitliche Beständigkeit kann sehr unterschiedlich sein. Sicher aber ist die Größe der Aggregate so klein, dass man sie nicht mit dem bloßen Auge sehen kann, und sie werden sich schneller, als wir blinzeln können, neu formieren.
Innerhalb der Aggregate sind die Moleküle nicht völlig regellos angeordnet, dann wäre die Phase ja isotrop. Sie sind auch nicht völlig regelmäßig angeordnet, dann wäre es ein Kristall, sondern irgendwie dazwischen. Wie kann man diesen Zwischenzustand gut beschreiben ? Ich will 2 Größen vorstellen, die das leisten.
8.2.3.1. Der Director
Sowohl kalamitische (stabförmige) als auch diskotische (scheibenförmige) Moleküle kann man auf dieselbe Art beschreiben. Die Ausdehnung des Moleküls ist in 2 Raumrichtungen annähernd gleichgroß, in der dritten dagegen entweder viel größer (bei den stabförmigen) oder viel kleiner (bei den scheibenförmigen) als in den anderen beiden. Diese Richtung der abweichenden Ausdehnung nutzt man für die Beschreibung.
Die Ausrichtung der Moleküle innerhalb eines Aggregats erfolgt entlang einer Vorzugsrichtung.
Bild 2 : Aggregat aus kalamitischen Molekülen, schematisch, und ihr Direktor.
Kalamitische Moleküle. – Die Stäbe der kalamitischen Moleküle richten sich annähernd parallel aus. Betrachtet man 2 beliebige Stäbe im gleichen Aggregat, so wird zwischen den beiden „Stabrichtungen” in der Regel nur ein kleiner Winkel sein. Es gibt also eine „Durchschnittsrichtung” aller Stäbe im Aggregat. Man kann diese Richtung mit einem Vektor beschreiben. Er heißt Direktor (engl. director). Bild 2 zeigt ein solches Aggregat kalamitischer Moleküle (als grüne Ellipsen gezeichnet) zusammen mit ihrem Direktor. Die meisten haben eine ähnliche Richtung wie der Direktor, nur wenige weisen deutlich in andere Richtungen. Dass der Direktor nach oben zeigt, ist Zufall. Es gefiel mir, ihn so zu zeichnen. Jedenfalls richtet er sich nicht nach der Schwerkraft aus.
Bild 3 : Aggregat aus diskotischen Molekülen, schematisch, und ihr Direktor.
Diskotische Moleküle. – Die Ausrichtung diskotischer Moleküle beschreibt man völlig analog. Sie sind scheibenförmig und haben daher in einer Richtung eine viel kleinere Ausdehnung. Man kann sagen, es ist jeweils die Richtung der „kurzen Achse”. Nun betrachtet man diese Richtungen der kurzen Achse und bildet den Mittelwert. Als Ergebnis erhält man den Direktor eines Aggregats diskotischer Moleküle. Bild 3 zeigt ein solches Aggregat diskotischer Moleküle (als grüne Ellipsen gezeichnet) zusammen mit ihrem Direktor. Die meisten haben eine ähnliche Richtung wie der Direktor, nur wenige weisen deutlich in andere Richtungen.
Haben Sie den Eindruck, die Bilder 2 und 3 sehen sich ähnlicher als erwartet ? Über Ihre Erwartungen kann ich nicht urteilen, aber die Unterschiede zwischen den beiden Bildern sind tatsächlich marginal. Das eine ist entstanden, indem ich die Ellipsen des anderen um 90° gedreht habe. Das ist auch in Ordnung so, denn der Querschnitt eines ellipsoid–förmigen „Stabes” ist identisch mit dem einer ellipsoid–förmigen Scheibe.
Bild 4 : Isotrope Flüssigkeit aus kalamitischen Molekülen, Simulation.
Geht das immer ? – Kann man das Konzept des Direktors auch auf andere Phasen, Stoffe oder Moleküle anwenden, oder ist es auf flüssigkristalline Phasen beschränkt ?
Formal gesehen, kann man sagen, ja, es geht immer. Zum Beispiel kann man eine isotrope Flüssigkeit aus kalamitischen Molekülen betrachten. Sie entsteht, wenn man die entsprechende Mesophase weiter erhitzt. In ihr sind die Moleküle völlig regellos ausgerichtet.
Bild 4 zeigt eine Simulation einer solchen Flüssigkeit aus stabförmigen Molekülen. Deren Richtungen sind ganz zufällig verteilt. Natürlich kann man einen Mittelwert aus all diesen Richtungen bilden, und irgendwohin wird der Vektor schon zeigen. Wartet man einen Moment, haben die Moleküle ihre Ausrichtung, wieder zufällig, geändert, und der Direktor wird, ebenfalls zufällig, in irgendeine andere Richtung zeigen. Eine physikalisch oder chemisch bedeutsame Aussage kann man daraus nicht ableiten. Man kann in gewöhnlichen Flüssigkeiten einen Direktor definieren, aber es bringt nichts, und das gilt für alle Stoffe.
Noch weniger Sinn macht der Direktor in kristallinen Feststoffen. Alle Ausrichtungen sind in der Elementarzelle festgelegt, und man braucht keinen Mittelwert über viele Moleküle zu bilden. Sie sind ja alle gleich ausgerichtet.
Einen Direktor zu benutzen, ist nur in Mesophasen sinnvoll, denn hier haben alle Moleküle über relativ lange Zeit eine ähnliche Ausrichtung, die man mit einem Mittelwert einfach beschreiben kann.
Direktor :
8.2.3.2. Der Ordnungsparameter
Das Bild, das ich im vorigen Abschnitt gezeichnet habe, ist rein qualitativ. Der Direktor ist der Mittelwert der Molekülausrichtungen. Die meisten Moleküle weichen nur wenig von seiner Vorgabe ab, und nur wenige weichen stärker ab.
Kann man das auch mit Zahlen ausdrücken ? Und kann man es mit einer einzigen Zahl ausdrücken, nicht mit einer Zahlenreihe, einer Funktion oder etwas ähnlich Komplexem ?
Ja, sicher kann man das.
Bild 5 : Aggregat aus kalamitischen Molekülen, schematisch, mit Direktor und Winkel Θ.
Die erste Frage, die man sich stellen sollte, heißt : Wie will man die Abweichung beschreiben ? Eine Antwort finden Sie in Bild 5. Es ist Bild 2 sehr ähnlich, jedoch habe ich die Ausrichtung zweier Moleküle durch einen Pfeil gekennzeichnet. Sinnvoll ist es, die Winkel Θ zwischen den einzelnen Molekülen und dem Direktor zu betrachten.
Die zweite Frage heißt : Wie sollte man aus den unzähligen Winkeln Θ der unzähligen Moleküle eine Zahl gewinnen, die die Abweichungen im gesamten Aggregat beschreibt ? Eine schnelle Antwort lautet, den Mittelwert der Winkel zu nehmen. Aber schnelle Antworten sind selten gute Antworten, so auch hier.
Die meisten Moleküle haben nicht nur eine ähnliche Ausrichtung wie der Direktor, sondern sie sorgen mit dieser Ähnlichkeit für die besonderen Eigenschaften der Mesophasen. Eine kleine Zahl von Molekülen hat nicht nur eine stark abweichende Ausrichtung, sondern sorgt damit auch für Instabilität der Mesophase. Die beschreibende Zahl sollte diese Konsequenzen widerspiegeln.
Diese beschreibende Zahl, man nennt sie den Ordnungsparameter S der Mesophase, wurde so konstruiert, dass sie eine Reihe von Eigenschaften hat.
- Sind alle Moleküle gleich ausgerichtet wie in einem Kristall, so ist das Aggregat vollständig geordnet, und es gilt S = 1.
- Sind die Moleküle völlig regellos ausgerichtet wie in einer isotropen Flüssigkeit, so ist das Aggregat vollständig ungeordnet, und es gilt S = 0.
- Moleküle, deren Ausrichtung nur wenig vom Direktor abweicht, sollten mit einem Wert in die Berechnung von S eingehen, der nahe bei 1 liegt. Er sollte sogar näher bei 1 liegen als es der Ausrichtung entspricht. Man kann es kurz so sagen : kleine Abweichung vom Direktor ⇒ ganz kleine Abweichung von 1.
- Moleküle, deren Ausrichtung stark vom Direktor abweicht, sollten mit einem Wert in die Berechnung von S eingehen, der stark von 1 abweicht. Er sollte sogar stärker von 1 abweichen als es der Ausrichtung entspricht. Man kann es kurz so sagen : große Abweichung vom Direktor ⇒ größere Abweichung von 1.
Eine Größe, die beiden letzten Punkte erfüllt, ist der Cosinus des Winkels Θ. Kleine Winkel haben Cosinuswerte, die ganz nah bei 1 liegen. Je größer der Winkel, umso schneller fällt der Cosinus. Der eben beschriebene Effekt verstärkt sich, wenn man das Quadrat der Cosinuswerte benutzt. Zusätzlich verschwinden dadurch negative Zahlen.
Ein zusätzlicher Faktor und ein Summand sorgen dafür, dass auch die ersten beiden Punkte erfüllt werden.
Der Ordnungsparameter S wird deshalb so definiert.
oder mathematisch exakt geschrieben
Dabei ist N die Zahl der Moleküle im Aggregat.
Benutzt man oft Formeln, in denen Mittelwerte vorkommen, kürzt man seine Berechnung durch die spitzen Klammern ab.
Die beiden eben genannten Formeln haben dieselbe Bedeutung.
Um den Ordnungsparameter S besser zu verstehen, berechne ich einige Zahlenwerte des Ausdrucks 3/2 cos2 Θ – 1/2.
| Θ in Grad | 3/2 cos2 Θ – 1/2 |
|---|---|
| 0 | 1 |
| 10 | 0,955 |
| 20 | 0,825 |
| 30 | 0,625 |
Tabelle 1 : In den Ordnungsparameter S eingehende Werte, für einige Winkel.
Der Ausdruck bleibt nur für kleine Winkel in der Nähe von 1 und fällt dann schnell ab. Hat zum Beispiel der Ordnungsparameter S für ein Aggregat von Molekülen den Wert 0,825, heißt das nicht, dass alle Moleküle in ihrer Ausrichtung um 20° vom Direktor abweichen. Es heißt genausowenig, dass die Molekülausrichtungen im Durchschnitt um 20° von ihm abweichen. Es heißt auch nicht, dass genausoviele Moleküle weniger als 20° abweichen, wie mehr als 20° abweichen, denn jedes Molekül geht mit seinem „persönlichen” Gewicht (nämlich 3/2 cos2 Θ – 1/2) in die Rechnung ein. Ein Molekül mit der Abweichung 30° benötigt etwa 1,5 Moleküle mit der Abweichung 10° zur Kompensation.
8.2.3.3. Beschreibung der Phasenübergänge
Ein Teil der Flüssigkristalle bildet nur eine einzige Mesophase (flüssigkristalline Phase), während andere mehrere verschiedene Mesophasen bilden. Für die Beschreibung der Phasenübergänge hat sich ein einfacher Formalismus etabliert.
Man schreibt in eine Reihe die Namen aller Phasen, die der Stoff bildet, angefangen von der kristallinen Phase über die Mesophase oder die Mesophasen bis hin zur isotropen Flüssigkeit. Zwischen die Phasen schreibt man die Temperatur des Phasenübergangs, in der Regel in °C.
Das sieht dann so aus :
Crystal 101 smectic(C) 108 nematic 147 isotropic liquid oder
K 101 Sc 108 N 147 IL oder
krist 101 SmC 108 N 147 isoFl
Es ist egal, ob man deutsche oder englische Bezeichnungen benutzt, ob man die Phasen mit Abkürzungen oder ausführlich benennt, wenn es nur die Adressaten verstehen.
Das Beispiel besagt, dass der Stoff bei 101 °C vom festen Zustand in eine smektische Phase übergeht (sie hat die Kurzform Sc), bei 108 °C von der smektischen in eine nematische Phase, und schließlich bei 147 °C von dieser in den flüssigen Zustand.
Im Projekt „Die Struktur der Stoffe” werde ich mich an der dritten Schreibweise orientieren. Die Abkürzungen haben folgende Bedeutungen.
| Abkürzung | Bedeutung |
|---|---|
| krist | kristalliner Stoff |
| SmA, SmC | smektische Phase A bzw. C |
| N | nematische Phase |
| isoFl | isotrope Flüssigkeit |
| Z | Zersetzung |
Tabelle 2 : Kurzbezeichnungen für Phasenübergänge von Mesophasen
Unterkühlte Schmelzen. – Mesophasen haben die Tendenz, beim Abkühlen nicht (wie man das erwartet und wie es bei den meisten Stoffen üblich ist) bei derselben Temperatur zu kristallisieren, bei der sie auch geschmolzen sind. Stattdessen bleibt die Mesophase oft flüssig. Bei weiterem Abkühlen passiert es bei manchen Stoffen, dass sich (in der unterkühlten Schmelze, also unterhalb des Schmelzpunkts) eine andere Mesophase bildet, die man also beim Erhitzen nicht beobachten kann.
Man kann den Formalismus von oben auf diese Phänomene erweitern.
Erhitzen : krist 86 SmA 96 N 119 isoFl
Abkühlen : isoFl 119 N 96 SmA 78 SmC 76 krist
Oft beschreibt man dieses Phänomen kürzer, indem man die Phasenübergänge, die nur beim Abkühlen in unterkühlten Schmelzen auftreten, in Klammern schreibt.
krist 86 (SmC 78) SmA 96 N 119 isoFl
8.2.4. Warum bilden sich Mesophasen ?
Warum schmelzen manche Stoffe nicht so wie alle anderen ? Warum entsteht beim Schmelzen nicht einfach eine gewöhnliche Flüssigkeit wie bei den anderen Stoffen, sondern eine seltsame Zwischenphase, die ein wenig geordnet ist, aber doch nicht richtig wie ein Kristall ?
Es gibt 3 Gründe.
Die ersten beiden sind solche, die immer für die Struktur von Stoffen verantwortlich sind. Zwischen den kleinsten Teilchen wirken Kräfte. Allzu stark werden sie nicht sein, denn sonst würde die Kristallstruktur bestehen bleiben.
Tatsächlich sind es 2 Arten von gut bekannten, schwachen Bindungen, die hier in einer Weise zusammenspielen, die überhaupt nicht ungewöhnlich ist. Es sind einmal die van–der–Waals–Kräfte, die ich in Kapitel 5.10. die Ameisen unter den Bindungskräften genannt habe. Auch hier werden sie ihrer Ameisenrolle wieder gerecht. Sie sind zwar sehr schwach und nehmen mit zunehmender Entfernung sehr schnell ab (mit der Potenz r6). Sie wirken aber zwischen vielen Atomen (10 bis über 30 Atome ist oft eine brauchbare Schätzung), denn ihre Ursache ist die Polarisierbarkeit von Atomen, und allein durch ihre Zahl bewirken sie eine Menge.
Zum anderen enthalten die meisten Moleküle, die Flüssigkristalle bilden, polare Gruppen (vgl. Kapitel 5.5.), und es können sich polare Bindungen bilden.
Diese beiden Effekte allein können aber nicht ausreichend sein, denn Polarität und Polarisierbarkeit sind Erscheinungen, die immer wieder auftreten, auch bei Stoffen, die keine Mesophasen bilden. Es muss noch einen weiteren Grund geben.
Dieser letzte Grund ist einer, der die Struktur eines Stoffes in vielen Fällen beeinflusst. Es ist die Geometrie. Sie werden gleich sehen, dass nur Moleküle mit bestimmten, recht speziellen Formen Mesophasen bilden.
Gründe für Mesophasenbildung :
Polarität
Geometrie
8.2.4.1. Mesophasen aus Stäbchen
Als man die ersten Stoffe entdeckte, die Mesophasen bilden, fiel bald eine Gemeinsamkeit auf. Die Moleküle dieser Stoffe sind stabförmig.
Bild 6 : Aufbau eines stabförmigen (kalamitischen) Moleküls, schematisch.
Bild 6 zeigt den Aufbau solcher Moleküle. Sie bestehen aus einem näherungsweise starren, annähernd zylinder– oder lattenförmigen Grundkörper (grün gezeichnet). Die Länge dieses Molekülteils sollte mindestens das Vier– bis Sechsfache des Durchmessers betragen. Der Grundkörper wird oft durch Ringstrukturen (zum Beispiel Benzol– oder Cyclohexanringe) realisiert. Diese sind manchmal direkt miteinander verbunden. In anderen Fällen sind sie durch Atomgruppen verbunden, bei denen keine freie Drehbarkeit um Einfachbindungen (vgl. Kapitel xxx) möglich ist, und es findet keine Verformung des Moleküls statt. Oft aber sind sie durch Atomgruppen verbunden, bei denen eine eingeschränkte Drehbarkeit möglich ist. Das Molekül kann sich dann in gewissen Grenzen verformen.
An den Enden des starren Teils befinden sich oft weitere Atomgruppen. Es können unpolare, bewegliche Gruppen sein, zum Beispiel mittlere bis längere Alkylketten, aber auch polare Gruppen (cyan). Sie heißen Endgruppen.
Manchmal können am starren Teil Atomgruppen zur Seite herausragen (violett). Man nennt sie Seitengruppen.
Interaktionen
Im folgenden soll es darum gehen, welche Kräfte zwischen solchen Molekülen wirken, und wie das Zusammenspiel dieser Kräfte mit der eigenartigen Geometrie der Moleküle bewirkt, dass sich flüssigkristalline Phasen (Mesophasen) bilden.
Bild 7 : Wie zu erwarten, ist dieser Versuch, 2 Streichhölzer an den Enden „auf Stoß” zu verkleben, danebengegangen. Die Schwerkraft, die auf das rechte Streichholz wirkt, ist größer als die Kohäsionskräfte an der Verbindungsstelle.
Ende–an–Ende–Interaktionen
Alle, die handwerklich tätig sind, wissen es: Holz– oder Metallstäbe sollte man niemals „auf Stoß” verbinden. Die Berührungsfläche ist sehr klein, und auf dieser kleinen Fläche können nur geringe Kräfte für den Zusammenhalt sorgen. Kräfte, die in anderen Bereichen des Stabes, entfernt von der Verbindungsstelle, angreifen, sind, schon durch die Hebelwirkung, viel stärker. Das Folge ist, die Verbindung wird nicht halten. Versucht man es trotzdem, erhält man ein Ergebnis wie in in Bild 7.
Zwischen dem makroskopischen Beispiel der geklebten Streichhölzer und den Flüssigkristallmolekülen gibt es Gemeinsamkeiten und Unterschiede.
Die Gemeinsamkeit ist die winzige Berührungsfläche. Eventuelle elektrostatische Anziehungskräfte zwischen 2 Molekülen, die sich an den Enden berühren, können also auch nur gering sein und nur wenig bis fast gar nichts zum Zusammenhalt beitragen.
Bild 8 : 2 kalamitische Moleküle treffen sich an den Enden, schematisch.
Bild 8 zeigt eine Situation, in der sich 2 kalamitische Moleküle, wie sie in Bild 6 gezeichnet sind, an den Enden treffen. Die Chancen auf nennenswerte Interaktionen sind minimal.
Zu den Unterschieden gehört die Art der Kräfte, die im gesamten Bereich der Stäbe angreifen. Bei den Streichhölzern ist es die Schwerkraft. Bei den Molekülen sind es Stöße von anderen Molekülen, die aufgrund der thermischen Bewegung immer wieder stattfinden. Diese Stöße üben eine Kraft auf das gestoßene Molekül aus, die größer ist als die elektrostatischen Anziehungskräfte an der kleinen Berührungsfläche.
Seite–an–Seite–Interaktionen
Die Situation ist hier genau umgekehrt zu der im vorigen Abschnitt.
Bild 9 : Kalamitische Moleküle berühren sich an den Seiten, schematisch. Die Moleküle sind gegenüber Bild 6 um 90° gedreht, so dass die Seitengruppen vorn und hinten liegen.
Bild 9 zeigt kalamitische Moleküle, die sich an den Seiten berühren. Die Berührungsfläche ist viel größer als bei der Ende–an–Ende–Berührung, so dass wesentlich stärkere Interaktionen stattfinden können.
Für diese Interaktionen sind einmal van–der–Waals–Kräfte verantwortlich. Sie wirken zwischen allen Atomen im starren Grundkörper eines Moleküls (grün) und allen benachbarten Atomen im Grundkörper des Nachbarmoleküls. Damit wirken sie über eine relativ große Fläche und bewirken so relativ starke Interaktionen, die zwei Nachbarmoleküle relativ fest aneinander halten.
Aber auch zwischen den (in Bild 9 cyan gezeichneten) Endgruppen wirken van–der–Waals–Kräfte. Da die Endgruppen in der Regel beweglich sind, bewirken sie nur einen schwachen Zusammenhalt.
Durch Länge und Aufbau des Grundkörpers einerseits und Größe und Art der Endgruppen andererseits kann man die Stärke der Interaktionen steuern.
Der andere Akteur sind die polaren Bindungen.
stabförmige Moleküle :
haften an den Seiten gut aneinander
Stellschrauben
Was ich bis jetzt gezeichnet habe, ist ein Schwarz–Weiß–Bild mit nur wenigen Grautönen. Die eine Interaktion geht, die andere nicht, fertig. Wenn das alles wäre, wäre das Kapitel über Flüssigkristalle kurz. Zum Glück gibt es eine Reihe von Faktoren, mit denen man die Form kalamitischer Moleküle, ihre Polarisierbarkeit und die Verteilung der polaren Gebiete beeinflussen kann – und damit auch ihre Eigenschaften. Hier stelle ich einige dieser Möglichkeiten kurz vor. In den folgenden Abschnitten werde ich sie an Beispielen ausführlich erläutern.
- Das Verhältnis zwischen der Länge des Grundkörpers und der Länge der Endgruppen – Je größer der Grundkörper im Vergleich zu den Endgruppen ist, umso stärker können die van–der–Waals–Kräfte zwischen benachbarten Grundkörpern wirken.
- Die Zylinderform des Grundkörpers – Haben Sie sich auch schon gefragt, welche Moleküle wohl perfekt zylindrisch sein mögen ? Nun ja, der Zylinder ist ein einfaches Modell der Form des Grundkörpers. Abweichungen, gewollt oder ungewollt, werden zu geringeren Auswirkungen der van–der–Waals–Kräfte führen.
- Die Starrheit des Grundkörpers – Man kann in den Grundkörper, wie schon oben gesagt, die eine oder andere Atomgruppe einbauen, die eine freie Drehbarkeit um Einfachbindungen ermöglicht, so dem Grundkörper eine gewisse Flexibilität gibt und die Wirkung der van–der–Waals–Kräfte zurückdrängt. Bei der technischen Anwendung von Flüssigkristallen in Bildschirmen (LCD) werden Stoffe benötigt, bei denen sich der Existenzbereich der flüssigkristallinen Phase über die gesamte Betriebstemperatur des Bildschirms erstreckt. Stoffe mit eingeschränkter Starrheit und wenig perfekter Zylinderform erfüllen diese Anforderungen.
- Die Art der Endgruppen – Sind es unpolare Alkylgruppen oder sind es polare Gruppen, zum Beispiel die Cyanidgruppe ? Sind es lineare Gruppen, oder sind sie verzweigt ? Ist an beiden Enden dieselbe Gruppe vorhanden, oder sind es verschiedene ?
- Die Art der Seitengruppen – Sind sie überhaupt vorhanden ? Das kommt eher selten vor, oft fehlen sie. Wenn sie vorhanden sind, sind es dann kleine Gruppen (die die Zylinderform des Moleküls nur wenig beeinträchtigen), oder sind sie groß ? Sind es polare oder unpolare Gruppen ? Sind es kleine, kaum polarisierbare Atome (zum Beispiel Fluoratome), oder sind es große, gut polarisierbare Atome oder Gruppen ?
8.2.4.2. Mesophasen aus Scheiben
Bis zum Jahr 1977 waren alle bekannten Moleküle, die flüssigkristalline Phasen bildeten, stabförmig, und man glaubte, das müsse so sein. 1977 entdeckte der indische Physiker Sivaramakrishna Chandrasekhar die ersten scheibenförmigen Moleküle, die Mesophasen bilden.
Die Frage, warum auch scheibenförmige Moleküle Mesophasen bilden, kann man genauso beantworten wie bei den stabförmigen.
Bild 10 : Aufbau eines scheibenförmigen (diskotischen) Moleküls, schematisch
Fußnote 1 : Der Begriff „kondensierte Benzolringe” hat nichts mit der Kondensation gasförmiger Stoffe zu flüssigen zu tun. Vielmehr hat sich aus mehreren Benzolringen ein neues, größeres Molekül gebildet. Beispiele finden Sie in Kapitel xxx – demnächst. Ein solches System ist von Natur aus starr.
Bild 10 zeigt den Aufbau scheibenförmiger (diskotischer) Moleküle. Sie bestehen aus einem flachen, näherungsweise kreisförmigen Grundkörper (grün gezeichnet). Er wird meist durch ein System aus kondensierten Benzolringen realisiert (→ Fußnote 1). Ein solches System ist von Natur aus starr.
Fußnote 1 : Der Begriff „kondensierte Benzolringe” hat nichts mit der Kondensation gasförmiger Stoffe zu flüssigen zu tun. Vielmehr hat sich aus mehreren Benzolringen ein neues, größeres Molekül gebildet. Beispiele finden Sie in Kapitel xxx – demnächst. Ein solches System ist von Natur aus starr.
An den Seiten des Grundkörpers befinden sich Atomgruppen, die unpolar oder schwach polar, aber beweglich sind, zum Beispiel längere Alkylketten (cyan). Ihre Zahl ist unterschiedlich, es müssen nicht 4 wie im Bild 10 sein. Sie heißen Endgruppen.
Bild 11 : Scheibenförmige (diskotische) Moleküle, die sich an den Seiten berühren, erfahren starke Interaktionen.
Interaktionen
Ähnlich wie in Bild 8 sind auch bei diskotischen Molekülen nur sehr schwache Ende–an–Ende–Interaktionen möglich. Der Grund ist wieder derselbe. Die Berührungsfläche ist zu gering. Scheibenförmige Moleküle haften genausowenig wie stabförmige an den Endgruppen aneinander.
Ähnlich wie in Bild 9 sind auch bei diskotischen Molekülen starke Seite–an–Seite–Interaktionen möglich. In einem Stapel diskotischer Moleküle, den man sich wie einen Stapel Münzen vorstellen kann und der wie in Bild 11 aussieht, wirken zwischen den Atomen benachbarter Moleküle van–der–Waals–Kräfte. Wieder macht es die Menge der Atome (der Grundkörper enthält oft etwa 10 bis 40 Atome), dass diese schwachen Kräfte einen Zusammenhalt bewirken.
Die Stellschrauben zum Feintuning der Moleküleigenschaften sind bei den diskotischen Molekülen nicht so ausgeprägt wie bei den kalamitischen. Neben der Größe des Grundkörpers ist es die Art und Länge der Seitengruppen.
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