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Von kommunizierenden Molekülschichten

14.11.2013
Stuttgarter Forscher entdecken überwiegend aus Wasser bestehenden, ferroelektrischen Flüssigkristall

Obwohl bestimmte Flüssigkristalle überwiegend aus Wasser bestehen, kann es in ihnen zur spontanen Ausrichtung von elektrischen Dipolen und somit makroskopisch zu einer spontanen elektrischen Polarisation kommen, dies konnten Chemiker des Instituts für Physikalische Chemie der Universität Stuttgart (IPC) zeigen und berichten in der führenden Fachzeitschrift „Angewandte Chemie“ darüber *).


Je nach Neigungsrichtung der Moleküle in den Schichten (links bzw. rechts oben) ändert sich das Vorzeichen der spontanen Polarisation. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes kann zwischen diesen zwei Richtungen hin und her geschalten werden, wodurch sich die Textur im Polarisationsmikroskop ändert (links bzw. rechts unten). Foto: IPC

Bei diesen sogenannten lyotropen Flüssigkristallen handelt es sich um geordnete Lösungen organischer Moleküle, zum Beispiel in Wasser. In dem untersuchten Flüssigkristall ordnen sich chirale organische Moleküle mit spezifischem Neigungswinkel in Schichten an. Zwischen diesen Schichten befindet sich das Lösungsmittel.

Das Überraschende: Obwohl die Wasserlagen zwischen den Molekülschichten vergleichsweise dick sind (ca. 2 Nanometer) besitzen die organischen Moleküle in jeder Schicht die gleiche Neigungsrichtung.

Legt man ein elektrisches Feld an, kann man durch den Wechsel der Feldrichtung zwischen entgegengesetzten Neigungsrichtungen hin und her schalten (siehe Abbildung). Damit gelang erstmals der Nachweis von Ferroelektrizität in einer flüssigkristallinen Lösung.

Materialien, die auch ohne elektrisches Feld eine spontane elektrische Polarisation aufweisen, werden als Ferroelektrika bezeichnet. Ferroelektrizität wurde erst zu Beginn des 20. Jahrhunderts von Joseph Valasek entdeckt und war lange Zeit nur in festen Kristallen bekannt. Bislang galt es als äußerst unwahrscheinlich, dass Ferroelektrizität auch in lyotropen Flüssigkristallen auftreten kann, da diese zu einem großen Anteil aus kleinen, ungeordneten Lösungsmittelmolekülen bestehen.

Diese Frage weckte schon vor einigen Jahren den wissenschaftlichen Ehrgeiz der Forschungsgruppe um Prof. Dr. Frank Gießelmann am Institut für Physikalische Chemie der Universität Stuttgart. Nach einigen Fehlschlägen und den daraus gewonnenen Erfahrungen gelang es dem Team jetzt, ein neues organisches „Zwittermolekül“ maßzuschneidern, das eine wasserlösliche chirale Kopfgruppe und einen wasserunlöslichen, starren Rest vereint.

Die neue Substanz wird von Johanna Bruckner im Rahmen ihrer Promotion, für die sie ein Stipendium der Landesgraduiertenförderung erhält, untersucht. Die junge Forscherin experimentierte mit verschiedenen Lösungsmitteln, Konzentrationen und Temperaturbereichen. Schließlich fand sie die passenden Bedingungen, unter denen der lyotrope Flüssigkristall mit einem Wasseranteil von bis zu 60 Prozent tatsächlich eine spontane elektrische Polarisation und damit ferroelektrische Eigenschaften zeigt. Dies konnte Bruckner mit elektrooptischen Messungen im Polarisationsmikroskop nachweisen.

Voraussetzung für diesen Effekt ist aber, dass die Neigungsrichtung in allen Molekülschichten gleich ist. Die spannende Frage, die die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nun umtreibt ist: Woher „wissen“ die Molekülschichten, wie ihre Nachbarschichten ausgerichtet sind, obwohl sie durch die vergleichsweise ungeordneten Wassermoleküle voneinander getrennt sind und somit eigentlich keine Verbindung zwischen ihnen besteht. Wie können sie trotzdem miteinander „kommunizieren“?

Anwendungen in der Sensorik denkbar
Prof. Frank Gießelmann erklärt: „Jetzt möchten wir natürlich gerne klären, wie dieses Phänomen möglich ist. Es handelt sich hier zunächst um reine Grundlagenforschung, doch auch zukünftige Anwendungen wären denkbar.“ Möglich wären Anwendungen in der Sensorik chiraler Moleküle, wie man sie z. B. häufig in pharmazeutischen Wirkstoffen findet. Sind sie in den Wasserschichten des neuen Flüssigkristalls gelöst, induzieren sie – je nach Reinheit und Konzentration der Moleküle – messbare Änderungen seiner spontanen elektrischen Polarisation.

Die Geschichte der Flüssigkristalle, die genau vor 125 Jahren entdeckt wurden, macht deutlich, dass Grundlagenforschung, die lange Zeit nur von akademischem Interesse war, plötzlich große wirtschaftliche Bedeutung erlangen kann, die weit in die Lebensbereiche der Menschen hineinreicht, wie die rasante Verbreitung von Flüssigkristall-Displays (LCD) z. B. für Notebooks, Fernseher und Handys zeigt.

*) Johanna R. Bruckner, Jan H. Porada, Clarissa F. Dietrich, Ingo Dierking und
Frank Giesselmannn: "A Lyotropic Chiral Smectic C Liquid Crystal with Polar Electrooptic Switching", Angewandte Chemie International Edition 2013, 52, 8934 –8937. Online-Version: DOI: 10.1002/anie.201303344
Weitere Informationen:
Prof. Dr. Frank Gießelmann, Institut für Physikalische Chemie der Universität Stuttgart, Tel. 0711-685-64460, E-Mail: f.giesselmann(at)ipc.uni-stuttgart.de.

Andrea Mayer-Grenu | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-stuttgart.de

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