Struktur, Dynamik und Chiralität in photoisomerisierbaren ferroelektrischen Flüssigkristallen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ferroelektrische Materialien, die bei Bestrahlung mit Licht ihre ferroelektrischen Eigenschaften, insbesondere ihre spontane elektrische Polarisation, ändern, werden als photoferroelektrische Materialien bezeichnet. Wissenschaftler des renommierten Tokyo Institute of Technology berichteten 1993 in Nature, dass sich Photoferroelektrizität in Flüssigkristallen durch Lösen photoisomerisierbarer Azoverbindungen in einer ferroelektrischen Flüssigkristallphase vergleichsweise einfach induzieren lässt. Ziel des Forschungsvorhabens „Photoferroelektrische Flüssigkristalle" war es, die Eigenschaften und die Mechanismen der Photoferroelektrizität in Flüssigkristallen erstmals systematisch zu untersuchen und damit eine Grundlage für das wissenschaftliche Verständnis dieses interessanten Phänomens sowie für seine mögliche technische Anwendung zu schaffen. Im Sinne dieser generellen Zielvorstellung wurden folgende Fortschritte erzielt: Thermodynamik und Kinetik des photoferroelektrischen Effekts: Zur Untersuchung des photoferroelektrischen Effekts wurde ein Messaufbau entwickelt, der es erlaubt, den Fortschritt der Photoisomerisierung sowie die maßgeblichen Ordnungsparameter der ferroelektrischen Flüssigkristallphase simultan unter definierten Belichtungszuständen als Funktion der Temperatur, des elektrischen Feldes und der Zeit zu verfolgen. In Analogie zur primären und sekundären Pyroelektrizität in Kristallen, führte die thermodynamische Analyse der erhaltenen Daten zu dem Ergebnis, dass zwischen der eigentlichen, primären Photoferroelektrizität und der sekundären Photoferroelektrizität unterschieden werden muss. Letztere ist eine Konsequenz der durch die photochemisch modifizierte Zusammensetzung , verschobenen ferroelektrischen Umwandlungstemperatur. Kinetische Studien zeigten, dass in allen untersuchten Fällen die Kinetik der Photoisomerisierung den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt des photoferroelektrischen Effekts darstellt. Molekulare Struktur-Wirkungsbeziehungen: Die durch Azobenzolderivate induzierte Photoferroelektrizität ist hauptsächlich sekundärer Natur und beruht letztendlich auf der thermodynamischen Destabilisierung der ferroelektrischen Flüssigkristallphase durch die photochemische Bildung von Z-Isomeren mit stark gewinkelter Molekülgestalt. Die Photoisomerisierung von Thioindigoderivaten hingegen verändert deren stäbchenförmige Molekülgestalt kaum, ändert aber drastisch ihr molekulares Querdipolmoment. Dementsprechend wird durch Thioindigoverbindungen praktisch rein primäre Photoferroelektrizität induziert. In speziellen Fällen lässt sich durch das photochemische „Umpolen" der Thioindigomoleküle sogar eine lichtinduzierte Umkehr der spontanen elektrischen Polarisation des Flüssigkristalls erzielen. intrinsische Photoferroelektrizität: Ferroelektrische Flüssigkristalle aus Molekülen, die selbst eine photoisomerisierbare Gruppe tragen, weisen bereits intrinsisch photoferroelektrische Eigenschaften auf. Detaillierte Untersuchungen derartiger Materialien führten schließlich in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe Zentel in Mainz zu sehr interessanten photoresponsiven ferroelektrischen Polymeren. Insbesondere die lichtinduzierte Umkehr der spontanen Polarisation und die photoresponsiven ferroelektrischen Polymere eröffnen interessante Perspektiven für eine technische Anwendung im Bereich adaptiver Materialien, da sich ihre Eigenschaften sowohl durch optische wie elektrische Stimuli modulieren lassen.
