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

• Erstellungsjahr: 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ziel des Projekts war die Untersuchung des Phasenverhaltens ionischer Flüssigkristalle (ILCs) in nanoporösen Feststoffen und der Vergleich mit den entsprechenden Eigenschaften der reinen ILCs. Durch maßgeschneiderte Synthese wurden keil- und stäbchenförmige ILCs bestehend aus Benzoaten und Aminosäuren mit Guanidiniumion oder Kronenether-Kation- Komplexen als ionische Kopfgruppen erhalten. Diese ILCs wurden in die Poren von monolithischen nanoporösen Aluminiumoxid-Membranen mit Porengröße 25 - 180 nm eingeschlossen, um die mesomorphen Eigenschaften, Orientierung und molekulare Dynamik in nanoskaliger räumlicher Beschränkung zu untersuchen. Es wurde ein reiches mesomorphes Verhalten in den Poren beobachtet, welches von dem Verhalten ohne räumliche Einschränkung abwich. Des Weiteren wurden funktionsrelevante Eigenschaften, wie optische Anisotropie, optische Aktivität und elektrische Leitfähigkeit mittels linearer und zirkularer Doppelbrechung und dielektrischer Spektroskopie untersucht. Die Studien zeigten, dass die molekulare Struktur der ILCs die Struktur der Mesophase kontrolliert, während die Oberflächenchemie der Poren (d. h. hydrophile oder hydrophobe Porenwände) und Porengröße einen wichtigen Einfluss auf die Ausrichtung der Mesogene an der Oberfläche und die Konfiguration der Mesophase (d. h. axial, radial, Holzstapel-artig, zirkular konzentrisch) in beschränkten Geometrien der monolithischen Poren haben. NCILC ist ein multidisziplinäres Projekt, an dem drei Forschungsteams beteiligt sind und das von den komplementären Fachkenntnissen profitiert, d.h. maßgeschneiderte Synthese von ILCs (Laschat), Untersuchung der mikroskopischen Translations- und Orientierungsordnung (Huber), Thermodynamik und molekulare Dynamik (Schönhals). 6 gemeinsame peer-reviewed Publikationen wurden von NCILC in Fachzeitschriften mit hohem Impactfaktor wie ACS Nano veröffentlicht. Weitere Publikationen sind in Vorbereitung. Die Ergebnisse von NCILC haben uns zu neuen Forschungsfragen und neuen Materialien inspiriert. Der hieraus resultierende neue Gemeinschaftsantrag mit einer neuen innovativen Zielrichtung wird in Kürze eingereicht.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Electrical Conductivity and Multiple Glassy Dynamics of Crown Ether-Based Columnar Liquid Crystals. The Journal of Physical Chemistry B, 124(39), 8728-8739.
  Yildirim, Arda; Kolmangadi, Mohamed A.; Bühlmeyer, Andrea; Huber, Patrick; Laschat, Sabine & Schönhals, Andreas
  
• Liquid crystalline hydrazones revisited: dipolar interactions vs hydrogen bonding affecting mesomorphic properties. Liquid Crystals, 48(10), 1382-1391.
  Knelles, Jakob; Wanner, Chris; Schulz, Finn; Freund, Marcel; Kolmangadi, Mohamed A.; Baro, Angelika; Huber, Patrick; Schönhals, Andreas & Laschat, Sabine
  
• Molecular dynamics and electrical conductivity of Guanidinium based ionic liquid crystals: Influence of cation headgroup configuration. Journal of Molecular Liquids, 330, 115666.
  Kolmangadi, Mohamed A.; Yildirim, Arda; Sentker, Kathrin; Butschies, Martin; Bühlmeyer, Andrea; Huber, Patrick; Laschat, Sabine & Schönhals, Andreas
  
• Side Chain Length-Dependent Dynamics and Conductivity in Self-Assembled Ion Channels. The Journal of Physical Chemistry C, 126(27), 10995-11006.
  Kolmangadi, Mohamed A.; Smales, Glen J.; ZhuoQing, Li; Yildirim, Arda; Wuckert, Eugen; Eutionnat, Sandy; Demel, Felix; Huber, Patrick; Laschat, Sabine & Schönhals, Andreas
  
• Confinement-Suppressed Phase Transition and Dynamic Self-Assembly of Ionic Superdiscs in Ordered Nanochannels: Implications for Nanoscale Applications. ACS Applied Nano Materials, 6(17), 15673-15684.
  Kolmangadi, Mohamed Aejaz; Zhuoqing, Li; Smales, Glen J.; Pauw, Brian R.; Wuckert, Eugen; Raab, Aileen; Laschat, Sabine; Huber, Patrick & Schönhals, Andreas
  
• Coarse-Grained Simulations of Columnar Ionic Liquid Crystals: Comparison with Experiments. The Journal of Physical Chemistry B, 128(34), 8215-8222.
  Kolmangadi, Mohamed A.; Wani, Yashraj M.; Schönhals, Andreas & Nikoubashman, Arash
  
• Orientational transitions of discotic columnar liquid crystals in cylindrical pores. Soft Matter, 20(31), 6193-6203.
  Zhang, Rui-bin; Grunwald, Marco A.; Zeng, Xiang-bing; Laschat, Sabine; Cammidge, Andrew N. & Ungar, Goran
  
• Self-Assembly of Ionic Superdiscs in Nanopores. ACS Nano, 18(22), 14414-14426.
  Li, Zhuoqing; Raab, Aileen; Kolmangadi, Mohamed Aejaz; Busch, Mark; Grunwald, Marco; Demel, Felix; Bertram, Florian; Kityk, Andriy V.; Schönhals, Andreas; Laschat, Sabine & Huber, Patrick