Flüssigkristall

Flüssigkristall, Substanz, die sowohl die Eigenschaften einer Flüssigkeit als auch die eines Festkörpers zeigt.

Die stäbchenförmigen Moleküle von Flüssigkristallen können sich, wie bei Flüssigkeiten, relativ leicht aneinander vorbeibewegen. Sie neigen jedoch auch dazu, sich wie in einem Festkörper in kristallähnlichen Strukturen auszurichten. In der Physik und Chemie spricht man daher auch von einem flüssig-kristallinen Verhalten. Außerdem können Flüssigkristalle die Polarisationsrichtung von polarisiertem Licht (siehe Optik) drehen, wenn Letzteres sie durchdringt. All diese Eigenschaften macht man sich u. a. in LCD-Anzeigen und vor allem in LCD-Bildschirmen (siehe Flachbildschirm) zunutze.

Flüssigkristalle werden meistens aus organischen Verbindungen hergestellt, gelegentlich auch aus anorganischen Substanzen. Allgemein unterscheidet man nach der Art der Herstellung zwei Formen: Die thermotropen Flüssigkristalle (von griechisch thermos: warm) erhält man durch Erwärmen bestimmter Kristalle über ihren Schmelzpunkt hinaus; diese Form wird in LCD-Bildschirmen verwendet. Dagegen gewinnt man lyotrope Flüssigkristalle (von griechisch lyein: lösen) durch Einwirkung von Wasser oder anderen polaren Lösungsmitteln auf bestimmte chemische Verbindungen, z. B. Tenside (siehe Detergentien) oder einige Polypeptide.

Der Doppelcharakter von Flüssigkristallen wird u. a. von Temperatur und Druck beeinflusst. Bei ausreichend hoher Temperatur oder niedrigem Druck löst sich die gerichtete Ordnung auf, wodurch der Flüssigkristall zur gewöhnlichen Flüssigkeit wird. Bei ausreichend niedriger Temperatur oder hohem Druck verlieren die Moleküle ihre Fähigkeit, sich leicht aneinander vorbeizubewegen, und der Flüssigkristall erstarrt zu einem normalen Festkörper.

Die Moleküle von Flüssigkristallen ordnen sich in verschiedenen Strukturen an, die man als Mesophasen bezeichnet (von griechisch mesos: zwischen, d. h. zwischen flüssig und kristallin). Bei den thermotropen Flüssigkristallen gibt es drei unterschiedliche Phasen: (1) In der nematischen Phase richten sich die Moleküle längs ihrer Molekülachse aus, so dass sie parallel zueinander liegen, in eine Vorzugsrichtung zeigen und einen Verband bilden. (2) Auch in einer smektischen Phase, von der mehrere Formen bekannt sind, erfolgt die Ausrichtung der Moleküle längs der Molekülachse. Es gibt jedoch nicht einen Verband, sondern mehrere Schichten. (3) Schließlich bilden sich in einer cholesterischen Phase ebenfalls mehrere Schichten, wobei die Moleküle einer Schicht eine andere Vorzugsrichtung haben als die Moleküle der nächsten Schicht usw. Auch hier sind mehrere Formen bekannt.

In lyotropen Flüssigkristallen können sich zusammen mit dem Lösungsmittel drei Mesophasen ausbilden: (1) In der Schichtenphase folgt auf zwei Schichten mit Flüssigkristallmolekülen eine Schicht mit Lösungsmittelmolekülen. Die polaren Teile der Flüssigkristallmoleküle zeigen auf die Lösungsmittelmoleküle, die a- oder unpolaren Teile in entgegengesetzte Richtung. (2) Bei der Mizellenphase zeigen die unpolaren Teile der Flüssigkristallmoleküle in das Innere einer Mizelle, während die polaren Teile nach außen ragen. Um die Mizelle herum liegen die Lösungsmittelmoleküle. (3) Dagegen befindet sich bei der inversen Mizellenphase in der Mizelle ein Lösungsmittelmolekül, das von Flüssigkristallmolekülen mit ihren polaren Teilen umgeben wird; die unpolaren Teile ragen nach außen.

In Digital- oder LCD-Anzeigen (z. B. in Uhren und Taschenrechnern), LCD-Bildschirmen (z. B. für Computer) und in LCD-Fernsehern werden thermotrope Flüssigkristalle eingesetzt, die sich in nematischer Phase befinden. Ihre Eigenschaft, die Polarisationsrichtung von polarisiertem Licht zu drehen, lässt sich durch elektrische und magnetische Felder steuern. Einige thermotrope Flüssigkristalle in cholesterischer Phase reflektieren das Licht in Abhängigkeit von der Temperatur, weshalb man diese Kristalle in bestimmten Thermometern oder als Farbfilter verwendet. Lyotrope Flüssigkristalle werden u. a. in der Spektroskopie als Lösungsmittel und in der Chromatographie als Trennmittel eingesetzt.