Ionische Flüssigkristalle in Nanoporösen Festkörpern: Selbstorganisation, molekulare Mobilität und elektro-optische Funktionalitäten

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Patrick Huber; Professorin Dr. Sabine Laschat; Professor Dr. Andreas Schönhals
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 430146019

Ionische Flüssigkristalle (ILC) wecken ein zunehmendes wissenschaftliches und technologisches Interesse, da sie bedingt durch ein Wechselspiel aus elektrostatischen, sterischen und entropischen Wechselwirkungen ein sehr facettenreiches Phasenverhalten zeigen. Insbesondere ist die Ausbildung von kolumnaren Phasen mit sehr hoher 1-dimensionaler Ionenmobilität beobachtet worden. Diese Funktionalität hängt allerdings stark von der Art der Orientierungs- und Translationsordnung ab. Durch Einbetten in nanostrukturierte Festkörpertemplate können diese Ordnungen gezielt gesteuert werden und damit völlig neue elektro-optische Funktionalitäten generiert werden. Dazu gibt es allerdings bisher keine systematischen Untersuchungen. Hier schlagen wir die Erforschung der Selbstassemblierung von ionischen Flüssigkristallen in nanoporösen Festkörpern als Funktion der Porengröße und der Porenoberflächenchemie vor, insbesondere im Hinblick auf hydrophile und hydrophobe Porenwände. Es sind Synchrotron-basierte Röntgenbeugung, dielektrische Spektroskopie und Kalorimetrie an ILCs geplant, die in monolithische, nanoporöse Siliziumdioxid-, Silizium- und Aluminiumoxidmembranen eingebettet sind. Hiermit wird es erstmals möglich sein, detaillierte Einblicke in die Struktur und Dynamik der ILC Mesogene in beschränkten Geometrien zu gewinnen. Das Projekt profitiert insbesondere von der komplementären Expertise der beteiligten Forschungsgruppen bzgl. der Untersuchung der mikroskopischen Struktur (Huber), der Thermodynamik und molekularen Mobilität (Schoenhals) und der maßgeschneiderten Synthese von ILCs (Laschat). Weiterhin sollen optische Anisotropie, optische Aktivität, dielektrische und elektrische Funktionalitäten systematisch untersucht und in Bezug gesetzt werden zur Mesophasenbildung. Es sollen ILCs untersucht werden, die kolumnare hexagonale Phasen mit hoher Ladungsträgermobilität bilden. Darüber hinaus werden Wechselwirkungen von chiralen ILCs mit den Poren hinsichtlich der Geometrie-induzierten Bildung von chiralen Mesophasen untersucht. Insgesamt zielt die Studie auf ein grundlegendes Verständnis der physikalischen Chemie von ILCs in Nanoporen ab, aber auch auf die Funktionalitäten der resultierenden Hybridmaterialien, bestehend aus weichen funktionellen ILC-Füllungen in monolithischen Festkörpern, die mechanische Stabilität bieten.Die erfolgreiche Umsetzung des Projekts erfordert eine intensive Zusammenarbeit zwischen den drei Forschungsgruppen, da die Molekularstruktur (Synthese) die supermolekularen Strukturen und die molekulare Mobilität sowie die Wechselwirkung mit den begrenzenden Wänden in nanoporösen Festkörpern bestimmt. Neben dem erwarteten synergistischen Nutzen für die wissenschaftlichen Ergebnisse wird insbesondere die Doktorandenausbildung von dem kooperativen und interdisziplinären Geist dieses Forschungsprojekts sehr profitieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen