31.03.2011

Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg

Flüssigkristalle auf dem Weg zur Komplexität

Die Ordnung, wie sie für Kristalle typisch ist, kombiniert mit der Beweglichkeit von Flüssigkeiten ergibt den sogenannten „4. Aggregatzustand“ – Flüssigkristalle. Diese Form der kondensierten Materie ist nicht nur die Voraussetzung für flache Displays (LCDs), welche man heute z.B. in allen Laptop-Computern verwendet.
Wie sich Moleküle zu hochkomplexen flüssigkristallinen Strukturen spontan selbstorganisieren können, beschreiben Forscher der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) in internationaler Kooperation mit anderen Forschergruppen in einem Artikel in der jüngsten Ausgabe des renommierten Wissenschaftsmagazins „Science“.


Das Forschungsgebiet des Chemikers Prof. Dr. Carsten Tschierske berührt gleich zwei Schwerpunkte der MLU: die Bio- und die Materialwissenschaften. Seine Arbeit ist unter anderem Teil des an der MLU angesiedelten Landesexzellenznetzwerks „Nanostrukturierte Materialien" und der Forschergruppe 1145. Er interessiert sich vor allem für die Entwicklung neuer Möglichkeiten zur Erzeugung komplexer flüssigkristalliner Strukturen.

Bisher bekannte Flüssigkristalle etwa haben noch sehr einfache Strukturen, weit entfernt zum Beispiel von der Komplexität lebender Systeme. In ihrer Arbeit “Complex multicolor Tilings and Critical Phenomena in Tetraphilic Liquid Crystals” beschreiben die Wissenschaftler rund um Tschierske jetzt, wie sich spezifisch entwickelte „tetraphile“ Moleküle zu hochkomplexen flüssigkristallinen Strukturen spontan selbstorganisieren können.

Alle für die Strukturbildung notwendigen Informationen müssen detailliert in der molekularen Struktur festgeschrieben sein. Dies wird erreicht durch eine gezielte Kombination von in diesem Fall vier (daher ,tetraphil’) verschiedenen miteinander unverträglichen und sich daher gegenseitig abstoßenden Molekülteilen mit anderen, sich gegenseitig anziehenden Teilen. „So wird die abstoßende Wirkung aufgehoben und es können sich komplexere Strukturen bilden. Derartige Moleküle können sich in Waben organisieren, die von der Struktur her Bienenwaben ähnlich sind“, erläutert Prof. Dr. Carsten Tschierske von der MLU. „Während die allgemein bekannten Bienenwaben alle die gleiche sechseckige Form aufweisen und mit identischem Inhalt, dem Honig, gefüllt sind, bestehen die molekularen Wabenstrukturen jedoch aus periodischen Gittern von Einzelwaben unterschiedlicher Form, sind etwa dreieckig, viereckig oder sechseckig, und haben einen Durchmesser von nur wenigen Nanometern.“
Diese „Nanowaben“ sind zudem unterschiedlich gefüllt. Und: die Waben sind nicht fest wie die Bienenwaben, sondern stellen flüssige dynamische Strukturen dar.

Diese Fließeigenschaft ist entscheidend für einen zweiten Aspekt dieser Arbeit. Dieser zeigt, dass sich bei höheren Temperaturen die Inhalte verschiedener Waben vermischen können. Das verringert die Komplexität, da nun alle Waben wieder die gleichen Inhalte haben können. Die Wissenschaftler konnten nachweisen, dass der Übergang zwischen Strukturen niedriger und höherer Komplexität kontinuierlich ist. Damit ermöglichen diese Arbeiten ein generelles fachübergreifendes Verständnis der Ausbildung von Komplexität in selbstorganisierten Strukturen chemischer Systeme.

Gedanken über mögliche Anwendungen für die neue, soeben in „Science" publizierte Erkenntnis hält Tschierske zwar für spekulativ: „Wir betreiben Grundlagenforschung, bauen neue Moleküle, um zu sehen: Wie organisieren sie sich?", beschreibt der hallesche Forscher die Arbeit seines Teams. Einige Beispiele kann er aber dennoch nennen: „Holographische Informationsspeicherung, ‚Nanolithographie’ und die Strukturierung organischer elektronischer Materialien in organischen Solarzellen und Transistoren.“

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