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13:37 11.03.2018
Baumstammstruktur in der Nanowelt: Flüssigkristallmoleküle. Quelle: R
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Göttingen

Seit der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts haben Flüssigkristalle ihren Weg in fast jeden modernen Haushalt gefunden. Ob Computer, TV oder Tablet: Flüssigkristalle sind aus unserem heutigem Leben kaum noch wegzudenken. Insbesondere wegen ihrer Fähigkeit zur Selbstorganisation werden Flüssigkristalle hoch geschätzt. Sie legten immer wieder überraschendes Verhalten an den Tag, so die Forscher. Labore auf der ganzen Welt fänden neue Wege, um die Flexibilität dieser Substanzen auszunutzen. Denn dieses Material berge immer noch großes Potenzial für die künftigen Anwendungen.

Einen schrittweisen temperaturabhängigen Übergang, der die Selbstorganisation von flüssigkristallinen Molekülen begleitet konnten die Wissenschaftlern des MPIDS zusammen mit Kollegen der Technischen Universität Hamburg (TUHH) und dem Deutschen Elektronen-Synchrotron Forschungszentrum (DESY) zeigen. Dafür haben die Physiker die flüssigkristallinen Moleküle mit einem nanoporösen Silikatglas in Kontakt gebracht. Die Poren sind winzige, nur einige millionstel Millimeter breite, zylindrische Öffnungen im Material. Im Normalfall ordnen sich die münzartigen Moleküle des untersuchten Flüssigkristalls in langen Säulen an.

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Nun zeigen die Forscher erstmalig, wie sich in die Enge getriebene Moleküle, ausgehend von den Porenwänden schichtweise ohne äußere Einflüsse zum Porenzentrum hin zusammensetzen. Dabei ähnelt die Nanopore der Ringstruktur eines Baumstammes. „Die Kombination von Symmetrie und engem Raum führt zu neuen, unerwarteten Phasenübergängen“, sagt Mazza, der die theoretische Arbeit leitete. Mazzas Kollege Zantop erarbeitete ein theoretisches und numerisches Modell für die nanobeschränkten Flüssigkristalle, welches viel zu der Bestätigung und der Interpretation der experimentellen Ergebnisse beiträgt.

Physiker sprechen von Phasenübergängen, wenn Temperatur- oder Druckänderungen, die entsprechenden Veränderungen im Aggregatzustand bestimmter Materialien bewirken. Einige dieser Umwandlungen passieren sehr häufig. Zum Beispiel erstarrt Wasser zu Eis, wenn die Temperatur unter 0 Grad Celsius sinkt. Im Falle der flüssigkristallinen Ringe sorgt die schrittweise Abkühlung des Materials dafür, dass sich vorher komplett ungeordnete Moleküle nach und nach in Schichten anordnen und eine neue Struktur bilden. Bei einer bestimmten Temperatur entsteht eine neue Schicht. Schon kleine Temperaturschwankungen können die Entstehung neuer Nanoringe ein- oder ausschalten. Diese Veränderung der Molekularstruktur ließ sich in den Versuchen mit hoher Genauigkeit steuern.

Dieser selten beobachtete, fast bei Raumtemperatur steuerbarer Phasenübergang biete eine leicht justierbare Methode zur Selbstformation eines neuen optischen Metamaterials. Die Wissenschaftler hoffen, dass die Entdeckung einer solchen eigenartigen Selbstorganisation vielfältig umgesetzt werden kann. Neben temperaturgesteuerten optischen Metamaterialien sei auch eine neue Anwendung in organischen Halbleitern denkbar, wie zum Beispiel temperaturschaltbare selbstorganisierte Nanodrähte. „Diese ungewöhnliche Scheibenanordnung könnte zukünftig moderne elektronische Geräte verbessern, diese effizienter und umweltfreundlicher machen“, sagt Max-Planck-Forscher Mazza. chb/r

Von Christiane Böhm

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