8.2.6.6. Smektische Flüssigkristalle – eine Großfamilie
Auf dieser Seite erfahren Sie mehr zu einzelnen Arten von smektischen Flüssigkristallen.
Schon zu Beginn des Abschnitts über smektische Phasen (Kapitel 8.2.6.1.) hatte ich geschrieben, dass es eine ganze Reihe solcher smektischer Phasen gibt (mindestens 14). Einige sind sich sehr ähnlich, andere haben weniger Gemeinsamkeiten, so wie es auch bei den Mitgliedern einer großen Familie sein kann.
Im folgenden werde ich einige Familienmitglieder genauer beschreiben. Den Schwerpunkt setze ich bei solchen Phasen, die häufig vorkommen oder besondere Bedeutung haben.
8.2.6.6.1. Phasen ohne Fernordnung
8.2.6.6.1.1. smektisch A – smA
Diese Mesophase gehört zu den am häufigsten vorkommenden smektischen Phasen. Es ist die am wenigsten geordnete smektische Phase. Folglich geht die smA–Phase eines Stoffes beim Erwärmen in die nematische Phase (falls diese existiert) über, sonst in die isotrope Flüssigkeit.
Hier sind ihre wichtigsten Eigenschaften.
Bild 1 : Moleküle der Phase smA. Oben ist eine Molekülschicht in der Ansicht von oben gezeigt, darunter 4 Schichten von vorn.
- Sie bildet Dichtewellen aus, keine scharf abgegrenzten Schichten.
- Der Director steht senkrecht auf den Schichtgrenzen (→ Fußnote 1). Das heißt, die Moleküle sind im Mittel senkrecht zur Schichtengrenze angeordnet.
- Orientierungsordnung : Es ist nur Nahordnung vorhanden, wie in der nematischen Phase. Man kann sie mit Director und Ordnungsparameter beschreiben.
- Positionsordnung : Sowohl innerhalb der Schichten als auch zwischen den Schichten ist nur Nahordnung vorhanden.
Fußnote 1 : In der smA–Phase sind keine Schichten vorhanden, also auch keine Grenzen zwischen den Schichten. Es sind aber Ebenen vorhanden, in denen die Dichte der Molekülmittelpunkte ein Minimum hat (vgl. Kapitel 8.2.6.3). Der Einfachheit halber nenne ich diese Ebenen Schichtgrenzen.
Bild 1 zeigt einen Ausschnitt aus einer smA–Phase. Im unteren Teil sehen Sie 4 Dichtewellen (Schichten) übereinander. Außerdem können Sie erkennen, dass der Director senkrecht auf den Schichtgrenzen steht und dass bezüglich der Orientierung nur Nahordnung vorhanden ist.
Der obere Teil zeigt die Positions–nur–Nahordnung deutlich. Ich habe dort aus Gründen der Übersichtlichkeit nur eine einzige Schicht gezeichnet. Mehrere Schichten würden sich gegenseitig verdecken.
Kommen Ihnen die beiden Bilder bekannt vor ? Das obere ist Bild 11 in Kapitel 8.2.6.5.1. ähnlich, das untere ein Ausschnitt aus Bild 8 in Kapitel 8.2.6.3. Bild 11 sollte eine Situation illustrieren, in der nur Positionsnahordnung vorliegt, aber irgendwie musste ich die Moleküle orientieren und in Schichten anordnen, und ich habe es wie der smA–Phase getan. Sie ist ja die häufigste smektische Phase. Ähnlich ist es mit Bild 8. Es illustriert die Dichtewellen, und ich habe Positions– und Orientierungsordnung der smA–Phase benutzt.
8.2.6.6.1.2. smektisch C – smC
Diese Mesophase ist der smA–Phase sehr ähnlich. Formal gesehen, ist der einzige Unterschied, dass die Moleküle nicht mehr senkrecht auf den Schichtgrenzen stehen, sondern gekippt sind.
Hier sind die wichtigsten Eigenschaften der smC–Phase.
- Sie bildet Dichtewellen aus, keine scharf abgegrenzten Schichten.
- Der Director steht nicht mehr senkrecht auf den Schichtgrenzen, sondern ist um einen Winkel Θ (den Kippwinkel, engl. tilt angle) gekippt.
- Orientierungsordnung : Es ist nur Nahordnung vorhanden, wie in der nematischen Phase. Man kann sie mit Director und Ordnungsparameter beschreiben.
- Positionsordnung : Sowohl innerhalb der Schichten als auch zwischen den Schichten ist nur Nahordnung vorhanden.
Bild 2 : Moleküle der Phase smC. Oben ist eine Molekülschicht in der Ansicht von oben gezeigt, darunter 4 Schichten von vorn. Mehr Info im Text.
Wie kann man sich die Anordnung der Moleküle in einer smC–Phase vorstellen ?
Sehen Sie sich Bild 2 an. In dieser Computersimulation habe ich versucht, die Situation realistisch darzustellen.
Im unteren Teil sehen Sie 4 Dichtewellen (Schichten) übereinander. Der senkrechte Pfeil steht senkrecht auf den Schichtgrenzen. Seine Richtung heißt Schichtennormale. Der Pfeil daneben ist der Director. Er gibt wie immer die mittlere Richtung der Moleküle an. Die tatsächliche Richtung jedes einzelnen Moleküls weicht, mehr oder weniger und durch den Ordnungsparameter (vgl. Kapitel 8.2.3.2.) beschrieben, von der mittleren Richtung ab. Deshalb sind die Moleküle in Bild 2 unterschiedlich gekippt. Im Bild scheint es, dass alle Moleküle so gekippt sind, dass sie weiter in der Papierebene liegen, aber das ist eine perspektivische Täuschung. Ihre Richtung weicht von der des Directors nicht nur nach rechts oder links, sondern auch nach vorn oder hinten ab.
Sie sehen dies genauer im oberen Teil von Bild 2. Er zeigt die oberste Schicht des unteren Teils, von oben gesehen. Auf die oberste Schicht habe ich mich beschränkt, da sich sonst zu viele Moleküle gegenseitig verdecken würden. Der kleine schwarze Kreis ist die Schichtennormale, der nach rechts weisende schwarze Pfeil ist der Director, beide natürlich von oben gesehen. Die einzelnen Moleküle müssen nun (so ist der Director ja definiert) im Mittel die Richtung des schwarzen Pfeils haben, und im Bild sehen Sie, dass das zutrifft. Im Mittel sind alle Moleküle Striche, die waagrecht von links nach rechts laufen. Die einzelnen Striche sind teils länger, teils kürzer als der Durchschnitt. Grund ist die Kippkomponente in Rechts–Links–Richtung. Außerdem scheinen viele Striche gegenüber der waagrechten Anordnunng gedreht, sie laufen schräg durchs Bild. Grund ist die Kippkomponente in Vorn–Hinten–Richtung. Zur besseren Übersicht habe ich die Moleküle im oberen Teil von Bild 2 auseinandergezogen, das heißt ihre Abstände vergrößert.
Die vorigen beiden Absätze beschreiben auch gleich die Positions– und die Orientierungsordnung. In beiden Fällen liegt nur Nahordnung vor.
Viele Stoffe, die smektische Phasen bilden, bilden sowohl die smA– als auch die smC–Phase. Von ganz ungewöhnlichen Ausnahmen abgesehen, tritt die smC–Phase immer bei niedrigeren Temperaturen als die smA–Phase auf. Ihre Freie Enthalpie ist also geringer.
Fußnote 2 : In den Fällen des kontinuierlichen Fallens auf Null liegt ein Phasenübergang zweiter Ordnung (engl. second–order transition) vor, in den anderen ein Phasenübergang erster Ordnung (engl. first–order transition).
Der Winkel zwischen Schichtennormale und Director heißt Kippwinkel (engl. tilt angle) und hat die Bezeichnung Θ. Bei einer Temperatur, die weit unter der Übergangstemperatur smC – smA liegt, beträgt er oft 30 bis 40 Grad. Nähert man sich an diese Temperatur an, fällt er in den meisten Fällen kontinuierlich auf Null, nur selten springt er von einem Wert zwischen etwa 10 und 20 Grad auf Null (→ Fußnote 2).
Fußnote 2 : In den Fällen des kontinuierlichen Fallens auf Null liegt ein Phasenübergang zweiter Ordnung (engl. second–order transition) vor, in den anderen ein Phasenübergang erster Ordnung (engl. first–order transition).
8.2.6.6.1.3. Geht da noch mehr ?
Sind noch andere smektische Phasen ohne Fernordnung denkbar, und werden diese auch realisiert ? In diesem Buch werde ich nicht weiter eingehen auf
- smektische Phasen ohne Fernordnung, mit Molekülen, die gegenüber der Schichtnormalen gekippt sind – in denen der Director aber in benachbarten Schichten in verschiedene Richtungen weist.
- smektische Phasen ohne Fernordnung, mit Molekülen, die gegenüber der Schichtnormalen gekippt sind – in denen der Director aber von Schicht zu Schicht abwechselnd in 2 Richtungen weist.
- smektische Phasen ohne Fernordnung, mit Molekülen, die gegenüber der Schichtnormalen gekippt sind – in denen die Moleküle einer Schicht nicht parallel, sondern antiparallel angeordnet sind.
| Tabelle 1 : Auswahl smektischer Phasen und ihrer Eigenschaften | ||||
|---|---|---|---|---|
| Name | Schichten | Ausrichtung | Orientierung | Position |
| smA | DW | N | NO | NO |
| smC | DW | K | NO | NO |
| Hinweise zu den Spalteneinträgen : DW : Dichtewellen S : Schichten N : normal (senkrecht) zur Schichtgrenze K : gekippt (tilted) NO : nur Nahordnung | ||||
Demnächst bearbeite ich diesen Abschnitt weiter.
Es kann aber noch etwas dauern.
8.2.99. Der Rest, der übrigbleibt
In großer Ausführlichkeit habe ich in diesem Abschnitt über Mesophasen geschrieben. Ich habe die Gründe und Bedingungen ihrer Entstehung erläutert, und ich habe einige Gruppen von Mesophasen vorgestellt.
Über andere Themen im Zusammenhang mit Mesophasen werde ich nichts schreiben. Dazu gehören
- Lyotrope Mesophasen. Sie kommen in Seifen und Detergentien sowie in biologischen Strukturen vor.
- Polymere Mesophasen.
- Blaue Phasen (engl. blue phases).
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