Zusammenfassung - OvGU

Liquid Crystal Filaments Formed By Bent-Shaped Mesogens
Flüssigkristalline Filamente aus bent-core-Mesogenen
Alexandru Nemeş
Zusammenfassung
In dieser Arbeit unternahmen wir experimentelle Untersuchungen der
physikalischen Eigenschaften freistehender, aus gekrümmten (bent-core) Mesogenen
geformter Flüssigkristallfilamente. Die Arbeit beinhaltet eine strukturelle
Charakterisierung von Filamenten unter Zuhilfenahme der Rasterkraftmikroskopie,
Rasterelektronenmikroskopie und Röntgenfeinstrukturanalyse. Optische Untersuchungen
wurden mit Hilfe der Polarisations- und Long-Range-Mikroskopie vorgenommen.
Mechanische und elektrische Eigenschaften wurden in einem eigens entwickelten
experimentellen Aufbau untersucht. Diese Untersuchungen halfen uns bei der
Strukturanalyse von Filamenten, deren smektische Schichten in zylindrische Fasern
aufgerollt sind. Wir stellten fest, dass das Verhalten der Filamente bei Bewegungen
entlang ihrer Achsen dem von Flüssigkeiten entspricht. Andererseits zeigte die
Untersuchung der Entspannungsdynamik eine für Flüssigkeiten untypische Dominanz
innerer Materialkräfte über die Oberflächenspannung. Es werden weiterhin verschiedene
Mechanismen, die zur Stabilität solcher Strukturen beitragen, diskutiert.
Die praktische Herstellung eines Filaments erfolgt durch das Herausziehen des
Filamentmaterials aus einem Depot mit einer Glasnadel. Das Filament behält dabei
während des Ausziehprozesses einen gleichmässigen Durchmesser. Es verhält sich auch
unter mechanischem Druck wie eine Flüssigkeit. Das Erscheinungsbild und die Stabilität
der Filamente hängt sehr von den Phasen und Materialien ab. Die Untersuchungen der B7
und PM-SmCP Phasen zeigen, dass die Filamente in diesen Phasen sehr stabil sind und
praktisch eine unbegrenzte Lebensdauer besitzen. Die Gravitation spielt für die Stabilität
des Filaments keine Rolle. Sowohl in horizontaler wie auch in vertikaler Ausrichtung des
Filaments sind keine Fließprozesse erkennbar. Interessanterweise ist aber die Reaktion
der B7- und PM- SmCP-Filamente auf Torsion jeweils verschieden. Hier zeigt sich die
Robustheit der PM- SmCP-Filamente im Vergleich mit den B7-Filamenten. Das ist ein
starkes Indiz für die Unterschiede in der Schichtstruktur beider Phasen. Es ist erstaunlich,
dass, obgleich auch die PM-SmCP Filamente während des Ausziehprozesses
Flüssigkeitsverhalten zeigen, ein verdrehtes Filament sich auch nach Stunden nicht
entspannt, während eine Deformation entlang der Filamentachse in wenigen Minuten
oder sogar Sekunden ausgeglichen wird.
Ein erster Hinweis auf die Bündelstruktur der Filamente in allen Mesophasen ist
ihr optisches Erscheinungsbild. Im Durchlicht erscheinen Längsstreifen in der
Grössenordnung von ca. 1 bis 2 µm. Ihre Abhängigkeit von der Wellenlänge des
verwendeten Lichtes legt Einflüsse auf die optische Brechung nahe. Die optische
Durchleuchtung der Filamente ergab keine überzeugenden Beweise für eine allgemein
zylindrische Form, wenn auch die Annahme einer Minimierung der Oberflächenenrgie
eine solche Form nahelegt. Wir haben die Beobachtungstechnik vervollkommnet, so dass
die Filamente von allen Seiten beobachtet werden konnten. Während der Rotation
verschieben sich die Streifenmuster, was für eine real vorhandene Oberflächenrauhigkeit
oder eine interne Bündelstruktur der Filamente in allen beobachteten Mesophasen spricht.
Mittels rasterkraftmikroskopischer (AFM) und rasterelektronenmikroskopischer (REM)
Messungen haben wir gezeigt, dass B7 und PM-SmCP-Phasen tatsächlich keine einfachen
Zylinder sind, sondern vielmehr aus Faserbündeln bestehen. Mit den beiden erwähnten
Liquid Crystal Filaments Formed By Bent-Shaped Mesogens
Flüssigkristalline Filamente aus bent-core-Mesogenen
Alexandru Nemeş
Mikroskopiemethoden konnte auch eine Furchung der lateralen Oberflächen der
Filamente nachgewiesen werden. Der interne Schichtaufbau der Filamente wurde mit
Röntgenstrahlung untersucht. Die Röntgenmuster in einer Phase zeigten ausschliesslich
zwei scharfe Schichtreflexe mit dem zur Filamentachse orthogonalen Streuvektor. Die
smektischen Schichten legen sich zylindrisch um einen oder mehrere axiale Kerne.
Zur Bestimmung der elektrischen und mechanischen Eigenschaften der Filamente
wurden verschiedene Techniken angewandt. Eine davon ist die Anwendung eines
Längsachse senkrecht stehenden, starken elektrischen Feldes, das zu einer sinusoidalen
Auslenkung des Filaments führt. Nach Abschaltung des Feldes stellt die Faser ihren
vorherigen, geraden Verlauf unter mechanischem Schwingen wieder her. Wir stellten
fest, dass PM-SmCP-Filamente in einer gedämpften sinoidalen Grundmode schwingen
und analysierten die Abhängigkeit der Oszillationsparameter, Resonanzfrequenzen und
Dämpfungsraten von der Filamentgröße und -temperatur. Ein einfaches, harmonisches
Schwingungsmodell genügt für die Beschreibung der Dynamik der freien Schwingungen
solcher Fasern. Eine Bewegungsgleichung der Filamente kann aus den Termen der
Trägheit, der elastischen Oberflächenspannung und der Reibung erzeugt werden, die
Einfluss auf die Dynamik der Schwingung unter Abwesenheit externer Kräfte haben. Das
semiempirische Modell zeigt, das die Oberflächenspannung für die Rückstellkräfte nicht
die dominierende Rolle spielt. Die Rückstellkraft wird vielmehr von einer inneren
Materialspannung erzeugt, die vom Filamentvolumen abhängt und sich, wie Bailey et al.
(2007) theoretisch bestätigten, aus dem Auftreten der flexoelektrischen Polarisation beim
Biegen der smektischen Schichten ergibt. Wenn sich das Filament biegt, fließt Substanz
vom Rand in das Filament hinein und zurück, wenn es sich wieder zurückstellt. Während
der freien Schwingung ergeben sich Verluste durch den verlängerten Fluß zum Rand.
Diese sind die einzige relevante Quelle für die Dissipation der Schwingungsenergie.
Eine weitere Serie von Experimenten befasst sich mit den elektrischen Reaktionen
der Filamente. Deren laterale Auslenkung in starken, zeitlich konstanten, quer zur
Filamentachse angelegten, elektrischen Feldern wurde in Abhängigkeit von Radius und
Länge des Filaments untersucht. Die Auslenkung ist zwar spannungsabhängig, aber
unabhängig vom Vorzeichen des elektrischen Feldes. Die Auslenkung des Filaments in
einem zeitlich konstanten elektrischen Feld besteht aus zwei Schritten: dielektrische
Wechselwirkungen gefolgt von der Aufladung des Filamentes im Feld. Beim Anlegen
eines elektrischen Wechselfeldes senkrecht zur Filamentachse wird das Filament zu
Schwingungen angeregt. Die Analyse der fouriertransformierten Schwingungen des
Filamentes legt die funktionalen Wechselwirkungen des elektrischen Feldes mit dem
Material offen.
Um die mechanische Spannung des Materials messen zu können, entwickelten
wir zwei experimentelle Methoden, die die Gleichungen und deren Grenzen
berücksichtigen. Die erste Methode nutzt einen eigens angefertigten Hebel. Die zweite
Methode bestand in der Erzeugung eines horizontal stehenden Filaments, das sich unter
seinem Eigengewicht biegt. Nichtsdestotrotz sollte erwähnt werden, dass die aus diesen
beiden Versuchsaufbauten gewonnenen Daten nicht ausreichend genau sind, um
eindeutige Aussagen machen zu können.