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News: Verspielte Fullerene

Normalerweise bestehen Flüssigkristalle, wie wir sie beispielsweise von der Anzeige einer Digitaluhr kennen, aus stabförmigen Molekülen. Doch auch andere Formen sind möglich und verhelfen zu Materialien mit interessanten Eigenschaften.
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Ob Digitaluhr, Flachbildschirm oder Taschenrechner – überall versorgen uns Flüssigkristallanzeigen (Liquid Crystal Display, LCD) mit Informationen. Herzstück dieser Anzeigeelemente sind stabförmige Moleküle, die zwar eine gewisse Ordnung einnehmen und damit einem Kristall ähneln, doch trotzdem auch beweglich bleiben. So lassen sie sich beispielsweise durch ein elektrisches Feld umarrangieren. Das wiederum beeinflusst auch die Polarisationsrichtung eines Lichtstrahls, der eine Schicht der Flüssigkristalle passiert. Je nach Orientierung zweier Polarisationsfolien, zwischen denen sich diese Schicht befindet, erscheint das LCD-Segment schwarz oder weiß.

Neben den stabförmigen LC-Materialien gibt es auch scheibenförmige Moleküle und Stäbchen mit einem Knick, die an eine Banane erinnern. Gerade diese bananenartigen Moleküle sind von wissenschaftlichem Interesse, da sie kristalline Phasen ausbilden, die von den anderen Molekülen her nicht bekannt sind.

So scharen sie sich lagenweise in einer Anordnung zusammen, bei der alle Knicke wie Pfeile in die gleiche Richtung weisen. Sind alle Lagen gleich orientiert, so zeigt der Flüssigkristall ferroelektrische Eigenschaften, das heißt, er ist auch ohne elektrisches Feld polarisiert. Wechselt sich die Ausrichtung der Lagen jedoch alternierend ab, dann ist das Material anti-ferroelektrisch – von außen ist dann keine Polarisation messbar.

Nun konnten Masaya Sawamura und seine Kollegen von der University of Tokyo die Auswahl an Flüssigkristallen um eine neue Struktur bereichern, die ebenfalls jene ferroelektrische und anti-ferroelektrische Ausrichtung einnimmt. Wie Federbälle sehen die Moleküle aus: An der Spitze befindet sich jeweils ein Fulleren aus sechzig Kohlenstoff-Atomen, das eine fußballartige Struktur ausbildet. Symmetrisch um den einen Fünfring dieses Balls verteilt scharen sich fünf aromatische Molekülreste, an denen wiederum je zwei längere Ketten frei baumeln – sozusagen die Federn.

Wie sich zeigte, passen diese konisch zulaufenden Gebilde ausgezeichnet ineinander – so wie sich auch Federbälle stapeln lassen. Und auch die Moleküle scheinen diese Stapelung zu bevorzugen, denn sie bilden bevorzugt geschachtelte, säulenartige Strukturen aus. Diese Säulen wiederum finden sich zu einer hexagonalen Struktur zusammen, bei der sich die Orientierung der Spitzen der federballartigen Moleküle von einer Säule zur nächsten unterscheiden kann – entsprechend einer anti-ferroelektrischen Struktur. Diese kann jedoch auf vielfältige Art und Weise entstehen, je nachdem wie die Säulen im hexagonalen Gitter orientiert sind – eine Fülle neuer Flüssigkristallstrukturen also.

Carsten Tierske von der Universität Halle meint, dass in der Vergangenheit häufig neue Molekülstrukturen zu Fortschritten in der Erforschung von Flüssigkristallen geführt hätten. "Mit ihren 'Federball'-Molekülen haben Sawamura und Co den Forscherteams sicherlich ein neues Design zum Spielen geliefert."

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