Organische Ferroelektrika auf der Basis kristalliner Phasen bzw. kristalliner Mesophasen von bent-core Mesogenen

• Antragsteller: Professor Dr. Wolfgang Weißflog
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2005 bis 2010
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 20641116

• Erstellungsjahr: 2010

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ferroelektrika besitzen eine spontane elektrische Polarisation, welche durch ein externes Feld geschaltet werden kann. Die meisten Ferroelektrika sind anorganische Materialien, am bekanntesten ist Bariumtitanat. Fluorhaltige kristalline Polymere gehören zu den organischen Ferroelektrika, die auch praktische Verwendung finden. Die Zahl niedermolekularer organischer Materialien mit ferroelektrischen Eigenschaften ist verschwindend klein. Entsprechend dem Wirkmechanismus lassen sie sich unterteilen in Ein- und Mehrkomponentensysteme. Letztere basieren auf speziellen Wechselwirkungen zwischen den Komponenlen, wie CT- Komplexen, Wasserstoffbrücken oder Ladungseffekten. Die Kristalle reiner organischer Verbindungen zeigen sehr selten ferroelektrisches Verhalten, bisher gab es nur ca. ein Dutzend solcher Verbindungen. Ein Zusammenhang zwischen chemischer Struktur und ferroelektrischen Eigenschaften war nichl zu erkennen. Seit 1996 werden bananenförmige Flüssigkrislalle intensiv bearbeitet. Die gebogenen Moleküle können in den smektischen Schichten eine polare Ordnung aufbauen, ohne dass die Verbindungen optisch aktiv sind. Aus dieser Anordnung resultieren ferro- bzw. anfiferroelektrische Eigenschaften. Die Grundidee des Projektes bestand darin, gebogene (bent-core) Moleküle zu synthetisieren, deren Design zwar dem der bananenförmigen Mesogene entspricht, die aber keine flüssigkristallinen Phasen ausbilden. Die gebogene Molekülgestalt sollte jedoch die Bildung polarer Domänen in den Kristallen induzieren können. Die chemische Struktur einer geeigneten Substanzklasse wurde mit dem Ziel variiert, möglichst viele Vertreter zu finden, an denen keine Mesophasen auftreten. Es wurden 34 Verbindungen untersucht, davon besitzen 10 Verbindungen kristallin-flüssige Eigenschaften. Von den verbleibenden 24 Verbindungen zeigen 10 Substanzen ferroelektrisches und zwei Verbindungen nur pyroelektrisches Verhalten in verschiedenen kristallinen Modifikationen. Diese hohe Erfolgsrate beweist, dass erstmals ein Strukturdesign für feste organische Einzelkomponenten-Ferroelektrika aufder Grundlage gebogener Moleküle gefunden wurde. Im Rahmen des Projektes wurden auch zahlreiche Zwillingsmoleküle synthetisiert, in denen ein bent-core Mesogen und ein stäbchenförmiges Mesogen durch einen flexiblen Spacer miteinander verbunden sind. Auch hier wurde an drei Verbindungen ferro- bzw. antiferroelektrisches Verhalten in den kristallinen Phasen nachgewiesen. Bemerkenswert sind außerdem die kristallin-flüssigen Eigenschaften und ungewöhnlichen Phasensequenzen an einigen dimeren Verbindungen. In den Texturen nematischer Phasen können chirale Domänen beobachtet werden, obwohl die Moleküle nicht optisch aktiv sind. Das ungewöhnliche Verhalten in elektrischen Feldern wurde durch weiterführende physikalische Untersuchungen bewiesen. Hervorgehoben werden soll die Bildung metastabiler biaxial nematischer Phasen. Es sei auch erwähnt, dass bei der Bearbeitung anderer Substanzklassen interessante Ergebnisse erhalten wurden. Dazu gehören das Auffinden eines neuen Schaltprozesses (multiState switching) in einer SmCP-Phase, die Induktion polarer Phasen aus einer unpolaren SmA- und SmC-Phase mittels elektrischer Felder und der erstmalige Nachweis einer höher geordneten polaren Phase, der SmlPp-Phase. Nach der Synthese der Verbindungen war deren physikalische Charakterisierung eine wesentliche Aufgabe. Neben den üblichen Untersuchungen mittels Kalorimetrie und Polarisalionsmikroskopie wurden ausführliche Röntgenstruktur-Untersuchungen durchgeführt, um die kristallinen und kristallin-flüssigen Phasen eindeutig zuordnen zu können. Erst eine Kombination von elektro-optischen und SHG-Messungen erbrachte den endgültigen Beweis, welche kristallinen Phasen als organische ferroelektrische bzw. pyroelektrische Materialien bezeichnet werden dürfen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Koji acid - a new fragment to prepare bent-core mesogens. Liq. Cryst. 2006, 33, 803-809
  K. Pelz, S. Findeisen, G. Pelzl, S. Diele, W. Weissflog
  
• "Mesophase behaviour at the borderline between calamitic and banana-shaped mesogens" in Thermotropic Liquid Crystals, Recent Advances, Ed. by A. Ramamoorthy, Springer, 2007, 1-58
  G. Pelzl, W. Weissflog
  
• A novel family of salicylaldimine-basedfive ring symmetric and non-symmetric banana-shaped mesogens derived from laterally substituted resorcinols: Synthesis and characterization. J. Mater. Chem. 2007, 17, 284-298
  C.V. Yelamaggad, M. Mathews, S.A. Nagamani, D.S.S. Rao, S.K. Prasad, S. Findeisen, W. Weissflog
  
• Antichiroclinic effect as a confirmation of the chiroclinic effect. 11th International Conference on Ferroelectric Liquid Crystals FLC 07, 3.-8- September 2007, Sapporo, Japan
  M. Cepic, D. Pociecha, E. Gorecka, W. Weissflog
  
• Density functional theory and molecular dynamics investigations on substituted banana-shaped compounds. J. Mol. Model. 2007, 13, 907-917
  S. Ananda Rama Krishnan, W. Weissflog, R. Friedemann
  
• Electro-optic behaviour of bent-core nematics in a planar sandwich cell. 11th International Conference on Ferroelectric Liquid Crystals FLC 07, 3.-8- September 2007, Sapporo, Japan
  R. Stannarius, A. Eremin, M.-G. Tamba, W. Weissflog
  
• Electro-optic behaviour ofa nematic phase formed by bent-core mesogens. Europ. Phys. J. E, 2007, 22, 85-95
  M.-G. Tamba, W. Weissflog, A. Eremin, J. Heuer, R. Stannarius
  
• Electro-optics and pattern formation ofa nematic phase formed bybent-core mesogens. 35. Arbeitstagung Flüssigkristalle, 21.-23. März 2007, Bayreuth
  M.G. Tamba, J. Heuer, A. Eremin, R. Stannarius, W. Weissflog
  
• Experimental evidence for an electrically induced transition into a biaxial nematic phase. 35. Arbeitstagung Flüssigkristalle, 21.-23. März 2007, Bayreuth
  A. Eremin, R. Stannarius, M.-G. Tamba, W. Weissflog
  
• Field-induced texture transitions in a bent-core nematic liquid crystal. Phys. Rev. E 2007, 76, 061704
  R. Stannarius, A. Eremin, M.-G. Tamba, G. Pelzl, W. Weissflog
  
• Hydrogen bonding in new bent-core mesogens. 9th European Conference on Liquid Crystals, Lisbon, July 2-6, 2007, Portugal
  W. Weissflog, S. Findeisen, C.V. Yelamaggad, G. Pelzl, U. Baumeister
  
• Liquid crystalline dimers with bent-core mesogenic units. Liq. Cryst. 2007, 34, 59-64
  R. Achten, A. Koudijs, M. Giesbers, A.T.M. Marcelis, E.J.R. Sudholter, M.W. Schröder, W. Weissflog
  
• Liquid-crystalline properties of symmetrical banana-shaped azo compounds and their mixtures with 1,3-phenylene bis[4-(dodecylphenyliminomethyl)benzoate]. XVII Conference on Liquid Crystal Chemistry, Physics and Applications. Augustow, Poland. September 17-22, 2007
  Z. Galewski. M. Poranska, K. Zygadio, W. Weissflog
  
• Multistage electrooptical switching on a novel bent-core smectic material. 11th International Conference on Ferroelectric Liquid Crystals FLC 07, 3.-8- September 2007, Sapporo, Japan
  A. Eremin, A. Nemes, S. Findeisen, G. Pelzl, W. Weissflog
  
• New banana-shaped mesogens with very high dielectric permitivitties. 35. Arbeitstagung Flüssigkristalle, 21.-23. März 2007, Bayreuth
  Z. Vakhovskaya, C.J. Lorenzo, U. Baumeister, K. Pelz, W. Weissflog, H. Kresse
  
• New bent-core mesogens with unusual electro-optical properties. 35. Arbeitstagung Flüssigkristalle, 21.-23. März 2007, Bayreuth
  S. Findeisen,M.W. Schröder, G. Pelzl, U. Baumeister, W. Weissflog
  
• New dimers and trimers composed of bent-core and calamitic mesogenic units. 9th European Conference on Liquid Crystals, Lisbon, July 2-6, 2007, Portugal
  M.-G. Tamba, G. Pelzl, S. Diele, U. Baumeister, J. Heuer, A. Eremin, R. Stannarius, W. Weissflog
  
• Polar switching in crystalline phases formed by bent-core molecules. 35. Arbeitstagung Flüssigkristalle, 21.-23. März 2007, Bayreuth
  M.W. Schröder, K. Brand, H.N.S. Murthy, G. Pelzl, S. Diele, K. Pelz, U. Baumeister, W. Weissflog
  
• Polar switching in crystalline phases formed by bent-core molecules. 9th European Conference on Liquid Crystals, Lisbon, July 2-6, 2007, Portugal
  M.W. Schröder, K. Brand, H.N.S. Murthy, G. Pelzl, S. Diele, K. Pelz, U. Baumeister, W. Weissflog
  
• Unusual electro-optical properties of new bent-core mesogens. 9th European Conference on Liquid Crystals, Lisbon, July 2-6, 2007, Portugal
  S. Findeisen, M.W. Schröder, G. Pelzl, U. Baumeister, W. Weissflog
  
• Unusual optical behaviour of a nematic phase formed by bent-core mesogens. 9th European Conference on Liquid Crystals, Lisbon, July 2-6, 2007, Portugal
  Eremin, J. Heuer, R. Stannarius, G.-M. Tamba, W. Weissflog
  
• Ambidextrous bend patterns in free-standing polar smectic CPF films. Phys. Rev. E 2008, 78 (6-1) 061705/1-11
  A. Eremin, A. Nemes, R. Stannarius, W. Weissflog
  
• Dimers and trimers composed of bent-core and calamitic mesogenic units containing azobenzene. 36th German Topical Meeting on Liquid Crystals - Arbeitstagung Flüssigkristalle, Magdeburg 12-14. März, 2008
  M.-G. Tamba, G. Pelzl, U. Baumeister, J. Lagerwall, W. Weissflog
  
• Dynamics in solid phases formed by bent-core molecules. 36th German Topical Meeting on Liquid Crystals - Arbeitstagung Flüssigkristalle, Magdeburg 12-14. März, 2008
  H. Kresse, Z. Vahkovskaya, S. Findeisen-Tandel, K. Brand, J. Svoboda, U. Baumeister, G. Pelzl, W. Weissflog
  
• Electrooptical behaviour ofa bent-core nematic material. 22nd International Liquid Crystal Conference ILCC 2008, 29. Juni - 4. Juli 2008, Jeju, Korea
  R. Stannarius, J. Heuer, A. Eremin, M.-G. Tamba, W. Weissflog
  
• Liquid crystalline dimers and trimers composed of different bent-core and calamitic mesogenic units. 22nd International Liquid Crystal Conference ILCC 2008, 29. Juni - 4. Juli 2008, Jeju, Korea
  M.-G. Tamba, G. Pelzl, U. Baumeister, W. Weissflog
  
• Longitudinal and normal electroconvection rolls in a nematic hquid crystal with positive dielectric and negative conductivity anisotropy. 36th German Topical Meeting on Liquid Crystals - Arbeitstagung Flüssigkristalle, Magdeburg 12-14. März, 2008
  J. Heuer, R. Stannarius, M.-G. Tamba, W. Weissflog
  
• Longitudinal and normal electroconvection rolls in a nematic liquid crystal with positive dielectric and negative conductivity anisotropy. Phys. Rev. E, 2008, 77, 056206
  J. Heuer, R. Stannarius, M.-G. Tamba, W. Weissflog
  
• Multistage polar switching in bent-core mesogens. Eur. Phys. J. E 2008, 25, 395-402
  S. Findeisen, M.W. Schröder, G. Pelzl, U. Baumeister, W. Weissflog, S. Stern, A. Nemes, R. Stannarius, A. Eremin
  
• Novel electro-optic multistage switching in a polar smectic material. 36th German Topical Meeting on Liquid Crystals - Arbeitstagung Flüssigkristalle, Magdeburg 12-14. März, 2008
  S. Stern, A. Eremin, A. Nemes, R. Stannarius, S. Findeisen-Tandel, G. Pelzl, W. Weissflog
  
• On the balance belween syn- and anticlinicity in mixtures of chiral and non-chiral smectic liquid crystals. 36th German Topical Meeting on Liquid Crystals - Arbeitstagung Flüssigkristalle, Magdeburg 12-14. März, 2008
  E. Enz, S. Findeisen-Tandel, R. Dabrowski, F. Giesselmann, W. Weissflog, J. Lagerwall
  
• Polarization splay as the origin of modulation in the Bl and B7 smectic phases of bent-core molecules. Phys. Rev. E, 2008, 77 (2-1) 021703/1-6
  D.A. Coleman, C.D. Jones, M. Nakata, N.A. Clark, D.M. Walba, W. Weissflog, K. Fodor-Csorba, J. Watanabe, V. Novotna, V. Hamplova
  
• Unusual electro-optical response ofan oblique columnar phase formed by a bent-core mes ogen. Liq. Cryst. 2008, 35 (3) 325-331
  M.W. Schröder, K. Brand, G. Pelzl, U. Baumeister, S. Diele, W. Weissflog
  
• A model of field-induced ferrieleclric state in a bent-core mesogen. Soft Matter 2009, 5, 4136-4140
  S. Stern, R. Stannarius, A. Eremin, W. Weissflog
  
• A new type of five-ring banana-shaped mesogens with strong dielectric response. Phase Transitions 2009, 82 (6) 470-484
  Z. Vakhovskaya, J. Lorenzo Chao, U. Baumeister, K. Pelz, M. Schröder, W. Weissflog, H. Kresse
  
• Application of resonant scattering to structural studies of bent-core liquid crystals. 12. International Conference on Ferroelectric Liquid Crystals FLC 2009, Zaragoza, Spain, 31.8.-4.9.2009
  V. Ponsinet, P. Barois, Li Dong Pan, S. Wang, C.C. Huang, R. Pindak, S. Wang, U. Baumeister, W. Weissflog
  
• At the boundary to banana-shaped liquid crystals: polar properties of phases formed by asymmetric achiral four-ring bent-core mesogens. Soft matter 2009, 5,1840-1847
  W. Weissflog, U. Dunemann, S. Findeisen-Tandel, M.-G. Tamba, H. Kresse, G. Pelzl, S. Diele, U. Baumeister, A. Eremin, S. Stern, R. Stannarius
  
• Comparison ofthe orientational order parameters determinedfrom X-ray diffraction a n d ' C NMR studies ofa hockey stick-shaped compound. Phase transitions 2009, 82, 433-443
  G. Sarkar, M. Kumar Das, R. Paul, B. Das, W. Weissflog
  
• Dimers and trimers composed of bent-core and calamitic mesogenic units - mesomorphic and electro-optic properties. 37th Topical Meeting on Liquid Crystals, Stuttgart, 1.-3. April 2009
  M.G. Tamba, G. Pelzl, U. Baumeister, W. Weissflog
  
• Dissipative structures in liquid crystals as a template for periodic pattern. 37th Topical Meeting on Liquid Crystals, Stuttgart, 1.-3. April 2009
  A. Hoischen, H.-S. Kitzerow, M.G. Tamba, W. Weissflog
  
• In search for polar switchable crystalline materials derived from bent-core molecules. 37th Topical Meeting on Liquid Crystals, Stuttgart, 1.-3. April 2009
  W. Weissflog, H. Kresse, G. Pelzl, S. Findeisen-Tandel, M.G. Tamba, S. Stern, A. Eremin, R. Stannarius
  
• Investigation of the molecular structure of bent-core liquid crystals by NMR. DPG Spring Meeting (Condensed Matter Division) 22.-27.3.2009
  G. Hempel, W. Weissflog
  
• Mesomorphic and electro-optical properties of dimers and trimers composed of bent-core and calamitic mesogenic units. 10th European Conference on Liquid Crystals, 19.-24. April 2009, Colmar, France
  M.-G. Tamba, G. Pelzl, U. Baumeister, W. Weissflog
  
• Multistage switching in a novel bent-core smectic phase. 10th European Conference on Liquid Crystals, 19.-24. April 2009, Colmar, France
  S. Stern, A. Eremin, R. Stannarius, W. Weissflog
  
• Multistage switching in a novel bent-core smectic. 37th Topical Meeting on Liquid Crystals, Stuttgart, 1.-3. April 2009
  A. Eremin, S. Stern, R. Stannarius, W. Weissflog
  
• On the balance between syn- and anitclinicity in smectic phases formed by achiral hockey-stick mesogens with and without chiral dopants. J. Mater. Chem. 2009, 19, 2950-2957
  E. Enz, S. Findeisen-Tandel, R. Dabrowski, F. Giesselmann, W. Weissflog, U. Baumeister, J. Lagerwall
  
• Optical wave guiding in bent-core liquid crystal fllaments. Meeting ofthe American Physical Society, March 2009
  A. Jakli, J. Fontana, C. Bailey, W. Weissflog, I. Janossy, M. Palffy-Muhoray
  
• Optical waveguiding in bent-core liquid crystal filaments. Phys. Rev. E. 2009, 80, 032701
  J. Fontana, C. Baley, W. Weissflog, P. Palffy-Muhoray, I. Janossi, A. Jakli
  
• Polar crystalline materials derived from bent-core molecules. 10th European Conference on Liquid Crystals, 19.-24. April 2009, Colmar, France
  W. Weissflog, S. Findeisen-Tandel, U. Baumeister, H. Kresse, M.-G. Tamba, S. Stern, A. Eremin, R. Stannarius
  
• Quadratic electroclinic effect in bent-core mesogens. 10th European Conference on Liquid Crystals, 19.-24. April 2009, Colmar, France
  A. Eremin, S. Stern, R. Stannarius, W. Weissflog
  
• Quadratic electroclinic effect in smectics formed by bent-core mesogens. 37th Topical Meeting on Liquid Crystals, Stuttgart, 1.-3. April 2009
  S. Stern, A. Eremin, R. Stannarius, W. Weissflog