8.2.5. Nematische Flüssigkristalle

Auf dieser Seite erfahren Sie mehr zu nematischen Flüssigkristallen (= nematischen Phasen). Im einzelnen geht es um diese Themen.

In diesem Abschnitt geht es um nematische Phasen, die von kalamitischen (stabförmigen) Molekülen gebildet werden. Über nematische Phasen aus diskotischen (scheibenförmigen) Molekülen schreibe ich in Kapitel xxx – demnächst.

8.2.5.1. Überblick

Die nematischen Phasen sind unter allen flüssigkristallinen Phasen die am wenigsten geordneten.

Orientational order. – Die Orientierungsfernordnung der Moleküle ist hier nur schwach ausgeprägt. Betrachtet man die Ausrichtung der langen Achsen (längs der Stäbe) der Moleküle, so zeigen sie alle ungefähr in dieselbe Richtung. Der Mittelwert dieser Ausrichtungen wird durch den Director beschrieben, die Abweichungen der einzelnen Moleküle durch den Ordnungsparameter S. Mehr über den Director und den Ordnungsparameter erfahren Sie in Kapitel 8.2.3.1. und in Kapitel 8.2.3.2.

Verlauf des Ordnungsparameters

Bild 1 : Typischer Verlauf des Ord­nungsparameters S einer nematischen Phase. TS ist ihr Schmelzpunkt, TC ihr Klärpunkt.

 

Simulation einer nematischen Phase

Bild 2 : Nematische Phase aus kalamitischen Molekülen, Simulation.

Die Orientierungsfernordnung ist von der Temperatur abhängig. Einen typischen Verlauf des Ordnungsparameters zeigt Bild 1. Am Schmelzpunkt (das ist die Temperatur des Übergangs von der kristallinen in die nematische Phase, im Bild mit TS bezeichnet) ist er nicht weit von 1 entfernt. Mit steigender Temperatur fällt er. Hat er einen Wert von etwa 0,4 erreicht, bricht die Orientierungsfernordnung vollständig zusammen. Grund ist, dass die Ausrichtung der Moleküle nun so stark vom Director abweicht, dass nur noch wenige Moleküle Seite an Seite liegen können (wie in Bild 9 in Kapitel 8.2.4.1. Als Folge nehmen die van–der–Waals–Wechselwirkungen zwischen den Molekülen ab, und die nematische Phase geht in die isotrope Flüssigkeit über. Diese Temperatur ist im Bild mit TC (Klärpunkt) bezeichnet.

Positional order. – In nematischen Phasen ist überhaupt keine Positionsfernordnung vorhanden. Das heißt, die Moleküle liegen zwar eng zusammen, wie es bei Flüssigkeiten üblich ist. Davon abgesehen sind die Moleküle (genau: die Mittelpunkte der Moleküle) völlig zufällig im Raum verteilt.

Der Grund für die kaum vorhandene Fernordnung sind die schwachen Interaktionen zwischen den Molekülen. Die Gründe für die schwachen Interaktionen werde ich in den folgenden Abschnitten genauer besprechen.

Simulation. – Bild 2 zeigt die Simulation einer nematischen Phase aus kalamitischen (stabförmigen) Molekülen. Die Moleküle sind alle annähernd in dieselbe Richtung (von oben nach unten) ausgerichtet. Die meisten zeigen nur eine geringe Abweichung, nur wenige eine größere. Das ist die Orientierungsfernordnung.

Die fehlende Positionsfernordnung erkennen Sie daran, dass die Moleküle ganz zufällig auf dem Bild verteilt sind. Hier und da liegen mal 2 Moleküle direkt nebeneinander. Die Anziehungskräfte reichen gerade für solche einzelnen, nur kurzzeitig existierenden, Paarbildungen aus, sind aber zu schwach, um größere Cluster von Molekülen zusammen zu halten.

 

Fußnote 1 : Auch in zufällig verteilten Dingen können sich (eben durch den Zufall!) durchaus Muster bilden. Sehen Sie sich im Internet eine Lottozahlenstatistik an. Obwohl die gezogenen Zahlen, zumindest näherungsweise, zufällig sind, sind Muster darin vorhanden, die gesucht und gefunden werden. Vielleicht haben Sie von Ihrer Bank einen TAN–Generator bekommen. Er erzeugt sehr gute Zufallszahlen, das heißt solche, deren Abweichung von perfektem Zufall nur mit fortgeschrittenen mathematischen Methoden nachzuweisen ist. Trotzdem wird er immer wieder musterbehaftete, aber doch zufällige Zahlen produzieren, zum Beispiel 384858 oder gar 345888.

Haben Sie bei der Betrachtung des Bildes den Eindruck, die Moleküle sind gar nicht wirklich zufällig verteilt, sondern würden fast schon Schichten bilden ? Nun ja, vielleicht haben Sie Recht, und die nematische Phase aus dieser Simulation ist schon nah an einer schichtenbildenden smektischen Phase, wie sie in Kapitel 8.2.6. beschrieben wird. Vielleicht wird hier auch nur sichtbar, dass zufällig weder gleichmäßig noch chaotisch heißt (→ Fußnote 1).

Fußnote 1 : Auch in zufällig verteilten Dingen können sich (eben durch den Zufall!) durchaus Muster bilden. Sehen Sie sich im Internet eine Lottozahlenstatistik an. Obwohl die gezogenen Zahlen, zumindest näherungsweise, zufällig sind, sind Muster darin vorhanden, die gesucht und gefunden werden. Vielleicht haben Sie von Ihrer Bank einen TAN–Generator bekommen. Er erzeugt sehr gute Zufallszahlen, das heißt solche, deren Abweichung von perfektem Zufall nur mit fortgeschrittenen mathematischen Methoden nachzuweisen ist. Trotzdem wird er immer wieder musterbehaftete, aber doch zufällige Zahlen produzieren, zum Beispiel 384858 oder gar 345888.

Viskosität. – Sicher ist die Viskosität nicht die bedeutendste Eigenschaft von Stoffen. Sie ist aber einfach zu verstehen und wichtig. In technischen Anwendungen (LCD–Displays) müssen Flüssigkristalle schnell ihre Ausrichtung ändern, und dazu müssen sie, zumindest ein wenig, fließen. Eine niedrige Viskosität ist also Voraussetzung für technische Brauchbarkeit.

In nematischen Phasen sind die Interaktionen zwischen den Molekülen nur schwach ausgeprägt. Das heißt, es wirken nur schwache Anziehungskräfte, die das Fließen nur wenig behindern. Die Viskosität wird, im Vergleich zu anderen Mesophasen, gering sein. Sicher aber ist sie höher als bei Wasser.

8.2.5.2. Ein typischer Vertreter

Zu Beginn des Abschnitts will ich einen typischen Vertreter der nematischen Phasen vorstellen, an dem Sie Eigenschaften solcher Phasen kennen lernen können. Danach werde ich die Vielfalt der Stoffe, die nematische Phasen bilden, zeigen.

N–(4–methoxybenzyliden)–4'–butylanilin wurde 1969 erstmals hergestellt und bildet eine nematische Phase. Es hat die Summenformel C18H21ON. Wie sehr viele Flüssigkristalle hat es eine Abkürzung für den Handels– und Alltagsgebrauch : MBBA. Seine Phasenübergänge können so beschrieben werden : krist 22 N 47 isoFl (Die Bedeutung dieses Codes ist in Kapitel 8.2.3.3. erklärt.). Es bildet seine nematische Phase also in einem experimentell leicht zugänglichen Temperaturbereich.

Bild 3 zeigt seine Strukturformel und zwei Ansichten des Moleküls.

Formel von MBBA
Molekül von MBBA
Molekül von MBBA

Bild 3 : N–(4–methoxybenzyliden)–4'–butylanilin – Formel und 2 Molekülansichten.

Der Grundkörper besteht aus 2 Benzolringen, die durch ein Kohlenstoff– und ein Stickstoffatom verbunden sind. Er ist starr. Zwar kann sich jeder der beiden Benzolringe aus der Ebene des anderen Ringes herausdrehen, aber sonst ist keine freie Drehbarkeit um Bindungen möglich, und der Grundkörper kann sich nicht verformen.

Der Grundkörper ist, im Vergleich zu vielen anderen Flüssigkristallmolekülen, nicht allzu groß. Die in Kapitel 8.2.4. beschriebenen Seite–an–Seite–Interaktionen können daher nur in begrenztem Maß stattfinden. Die dabei wirkenden Kräfte reichen nicht aus, Moleküle dauerhaft zusammen zu halten, es kann keine Positionsfernordnung entstehen und sich nur eine nematische Phase bilden.

Betrachtet man das Molekül von der Seite, ist es, besonders aber der Grundkörper, sehr flach, dazu lang und schmal, wie ein Brett oder eine Latte (engl. lath). Man nennt diese Molekülgestalt lattenförmig (engl. lath–like). Im unteren Teil von Bild 3 können Sie die Lattenform gut sehen.

Durch die thermische Energie wird sich das Molekül bewegen. Aber wie ? Vor und zurück ? Oder hoch und runter ? Nein, das leichteste für das Molekül ist es, zu rotieren. Der Grund ist, dass die Anwesenheit anderer Moleküle einer Rotation den geringsten Widerstand entgegensetzt. Sicher ist Ihnen schon klar geworden, dass es nicht wie die Zeiger einer klassischen Uhr rotiert (Widerstand der anderen Moleküle wäre zu groß), sondern um seine Längsachse. Wenn das lattenförmige Molekül so rotiert, nimmt es einen annähernd zylinderförmigen Raum ein. Man sollte auch davon ausgehen, dass Wechselwirkungen mit anderen Molekülen an der gesamten Oberfläche des Zylinders stattfinden.

Eine der Endgruppen ist eine Butylgruppe. Sie ist unpolar, es wirken also nur van–der–Waals–Kräfte. Sie ist, absolut gesehen, nur relativ kurz. Im Vergleich zur Länge des Grundkörpers ist sie relativ lang. Ihr Einfluss lässt sich nicht leicht abschätzen. Sie ist nicht starr wie der Grundkörper, sondern beweglich, denn an allen Bindungen ist freie Drehbarkeit möglich. Auch die Konsequenzen dieser Eigenschaft lassen sich nicht leicht abschätzen.

Die andere Endgruppe ist eine Methoxygruppe. Sie besitzt ein Sauerstoffatom, ist also polar. Alle bisher besprochenen Wechselwirkungen waren van–der–Waals–Kräfte, die schwache Bindungen bewirken. Das teilweise negativ geladene Sauerstoffatom dagegen wird die gleich geladenen Sauerstoffatome anderer Moleküle abstoßen.

Damit habe ich alle wichtigen Akteure beschrieben, aber nicht, wie sie zusammenspielen. Die Frage warum MBBA eine nematische Phase bildet, warum es den oben genannten Schmelz– und Klärpunkt hat, kann ich noch nicht beantworten.

 
MBBA :
lattenförmige Geometrie
kurzer starrer Grundkörper
eine unpolare, kurze Endgruppe
eine sehr kurze, polare Endgruppe
 

 

 

Demnächst bearbeite ich diesen Abschnitt weiter.

Es kann aber noch etwas dauern.

 

 

 

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