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Forschung & Entwicklung Flüssigkristalle formen Nano-Ringe

Quantisierte Zustandsänderungen oberhalb der Raumtemperatur bieten Potenzial für neue optische Metamaterialen.

An der Röntgenquelle PETRA III des Deutschen Elektron-Synchrotron DESY, Hamburg, haben Forscher der Technischen Universität Hamburg eine unerwartete Form der Selbstorganisation in Flüssigkristallen untersucht: Werden die Flüssigkristalle in zylindrische Nanoporen gefüllt und erhitzt, bilden ihre Moleküle beim Abkühlen geordnete Ringe – ein Zustand, der in dem Material sonst nicht natürlicherweise vorkommt. Dieses Verhalten ermöglicht Nanomaterialien mit neuen optischen und elektrischen Eigenschaften.

Die Forscher füllten diskotische Flüssigkristalle in Nanoporen in einem Silikatglas. Die zylindrischen Poren hatten einen Durchmesser von 17 Nanometern und eine Tiefe von 0,36 Millimetern. Dort wurden die Flüssigkristalle auf rund 100 Grad Celsius erhitzt und kühlten anschließend langsam ab. Beginnend vom Rand der Pore bildete sich mit sinkender Temperatur schrittweise ein Ring nach dem anderen, bis bei etwa 70 Grad nahezu der gesamte Querschnitt der Pore mit konzentrischen Ringen aufgefüllt war. Beim erneuten Erhitzen verschwanden die Ringe wieder.

Die einzelnen Ringe formten sich schrittweise bei bestimmten Temperaturen. Das ermöglicht es, einzelne Nanoringe durch kleine Temperaturänderungen ein- und auszuschalten. Derartige quantisierte Zustandsänderungen kommen sonst typischerweise erst bei sehr tiefen Temperaturen vor. Das Flüssigkristall-System zeigt dieses Quantenverhalten jedoch sogar schon deutlich oberhalb der Raumtemperatur.

Die in Nanoporen eingeschlossenen diskotischen Flüssigkristalle sind ein vielversprechender Kandidat für das Design neuer optischer Metamaterialien, deren Eigenschaften sich schrittweise über die Temperatur steuern lassen. Die untersuchten Nanostrukturen könnten auch zu neuen Anwendungen in organischen Halbleitern führen, etwa zu temperaturschaltbaren Nanodrähten.

An der Studie waren auch das Helmholtz-Zentrum Berlin, die Bundesanstalt für Materialforschung und -Prüfung, das Max-Planck Institut für Dynamik und Selbstorganisation sowie die Technische Universität Czestochowa in Polen beteiligt.

von mg

Originalveröffentlichung:
[K. Sentker, A. W. Zantop, M. Lippmann, T. Hofmann, O. H. Seeck, A. V. Kityk, A. Yildirim, A. Schönhals, M. G. Mazza, P. Huber, Quantized Self-Assembly of Discotic Rings in a Liquid Crystal Confined in Nanopores, Phys. Rev. Lett. 120 (2018), DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.067801]

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