Für künftige optische Technologien bieten Flüssigkristalle in blauer Phase verlockende Möglichkeiten. Da diese Kristalle selektiv sichtbares Licht reflektieren, könnten sie die Grundlage für neuartige elektronische Displays oder innovative Tarntechnologien bilden. Und da sie auf Reize mit einem Farbwechsel reagieren, könnten Blauphasenkristalle als äußerst empfindliche kolorimetrische Sensoren für flüchtige organische Verbindungen eingesetzt werden.
Um diese Kristalle in die Technologie zu integrieren, müssen die Wissenschaftler jedoch temperaturstabile Einkristalle herstellen. Das hat sich als schwierig erwiesen, da Blauphasenkristalle nur in einem kleinen Temperaturbereich existieren: In einigen Fällen kann eine Erwärmung um nur ein Grad ihre Eigenschaften zerstören.
In einer neuen Arbeit hat ein Team der Pritzker School of Molecular Engineering (PME) an der University of Chicago eine Methode zur Herstellung von Einkristallen in blauer Phase entwickelt, die unabhängig von der Chemie und Komplexität des flüssigkristallbildenden Materials anwendbar ist. Sie haben auch eine Methode entwickelt, um die Flüssigkristalle in ein Gel zu verwandeln, wodurch sie thermisch stabil werden.
„Dies ist ein weiterer wichtiger Schritt, um die interessanten optischen Eigenschaften von Flüssigkristallen in blauer Phase zu nutzen und sie für den Einsatz in neuen Geräten und Sensoren vorzubereiten“, sagte Juan de Pablo, Liew Family Professor of Molecular Engineering und Mitautor der Forschungsarbeit.
Flüssigkristalle in Gel verwandeln
Die einzigartigen Eigenschaften der Blauphasen-Flüssigkristalle sind auf ihre Struktur zurückzuführen, die sich aus Millionen von Molekülen ergibt, die sich selbst zu Gittern zusammenfügen, deren Größe mit der Wellenlänge des sichtbaren Lichts vergleichbar ist. Um diese Kristalle in künftigen Anwendungen nutzen zu können, mussten die Forscher einen Weg finden, thermisch stabile und makroskopisch homogene Kristalle zu erzeugen. Das Forscherteam hatte zuvor gezeigt, dass es Einkristalle in blauer Phase züchten kann, indem es sie auf streifenförmigen chemischen Mustern wachsen lässt. Das chemische Muster lenkt das Kristallwachstum in eine bestimmte Richtung, was zu einem makroskopischen Einkristall führt.
Während frühere Blauphasenkristalle, die auf diese Weise gezüchtet wurden, aus einfachen Mischungen bestanden, erhöhte das Team in diesem Fall die chemische Komplexität des Materials, das zur Züchtung der Kristalle verwendet wurde, und stellte fest, dass die Methode dennoch funktionierte. „Wir haben gezeigt, dass diese Art der Herstellung von Einkristallen mit chemischen Mustern viel allgemeiner anwendbar ist“, sagte Tadej Emeršič, ein Postdoktorand des Teams.
Sobald sich die Kristalle gebildet hatten, bestrahlten die Forscher sie mit UV-Licht, wodurch das System „photopolymerisiert“ wurde. Die Flüssigkristalle wurden zu Gel, aber ihre kristalline Struktur blieb erhalten. Die Gelkristalle waren nicht mehr so temperaturempfindlich wie die Flüssigkristalle, was einen weiteren Schritt in Richtung neuer Anwendungen darstellt. „Auf diese Weise haben wir ein Material geschaffen, das die mechanische Robustheit von Polymeren mit der einzigartigen Struktur von Blauphasen-Flüssigkristallen kombiniert“, so Kushal Bagchi, Postdoktorand des Forscherteams.
Potenzielle Anwendungen der blauen Phasen erforschen
Als Nächstes will die Gruppe versuchen, größere Muster herzustellen, die noch größere Kristalle erzeugen, und sie hoffen, diese Einkristalle verschiedenen Chemikalien aussetzen zu können, um ihre möglichen Reaktionen als Sensoren besser zu verstehen. „Wir zeigen hier eine verallgemeinerbare und herstellungsfreundliche Strategie zur Erzeugung von Strukturen mit einem hohen Grad an Perfektion über große Flächen in Flüssigkeitsfilmen, die blaue Flüssigkristalle bilden, was die Entwicklung optischer Geräte wie Displays ermöglichen wird“, sagte Paul Nealey, Brady W. Dougan Professor für Molecular Engineering und Mitautor der Arbeit. Zu den weiteren Autoren der Arbeit gehören José A. Martínez-González und Xiao Li.
