Die Präsentation wird geladen. Bitte warten

Die Präsentation wird geladen. Bitte warten

Nematische Flüssigkristalle Was ist ein Flüssigkristall? 1) milchig-trübe Flüssigkeit: keine bevorzugte Form, kleine Viskosität wird beim Erwärmen klar.

Ähnliche Präsentationen


Präsentation zum Thema: "Nematische Flüssigkristalle Was ist ein Flüssigkristall? 1) milchig-trübe Flüssigkeit: keine bevorzugte Form, kleine Viskosität wird beim Erwärmen klar."—  Präsentation transkript:

1 Nematische Flüssigkristalle Was ist ein Flüssigkristall? 1) milchig-trübe Flüssigkeit: keine bevorzugte Form, kleine Viskosität wird beim Erwärmen klar 2) unter Polarisationsmikroskop: spektakuläre Farbmuster charakteristische Strukturen Kondensation, Ordnung! Phase zwischen flüssig und fest (kristallin)

2 Historischer Überblick erste Beobachtung ca. 1850: Myelin (Hülle von Nervenfasern) zeigt ungewöhnliche optische Effekte unter polarisiertem Licht 1888 Friedrich Reinitzer (Botaniker), Otto Lehmann: eigenständige Phase Phasenübergang milchig-trüb klar 1922 George Freidel: 3 Gruppen: nematisch, cholesterisch und smektisch `50 Frank, etal... Kontinuums-Theorie 1968 erstes LC-Display 1991 Nobel-Preis de Gennes (Anwendung der Landau-Theorie der Ordnungsparameter,...)

3 Heute: 20 Milliarden Dollar Industrie (2000) organische Verbindungen bekannt, heute maßgeschneidert knapp 20 verschiedene flüssigkristalline Phasen wichtigste, einfachste Phase: nematische Flüssigkristalle (LC Displays)

4 1) Moleküle sind frei beweglich (Flüssigkeit) 2) Moleküle sind meist stäbchenförmig, manchmal scheibchenförmig Bsp: MBBA 3) Achsen der Moleküle sind geordnet (langreichweitige Ordnung) Charakterisierung von Flüssigkristallen: Direktor gibt mittlere lokale Richtung der Moleküle an... Achse, kein Vektor!

5 (= einfachste Form): Schwerpunkte isotrop verteilt, Achsen parallel geordnet griech. nema = Faden: typische Struktur in Bildern 1) nematische Flüssigkristalle: 3 Klassen: nematisch, cholesterisch, smektisch

6 2) cholesterische Flüssigkristalle: Direktor ist chiral angeordnet (Helix), Moleküle sind verdreht (rechts-oder linkshändig). Windungslänge der Helix ca. 400 nm, starke optische Effekte nematische Phase kann in cholesterische gezwungen werden, z.B. durch Randbedingungen

7 3) smektische Phase Schichtstruktur der Molekülanordnung Stapel von 2dim. flüssigen Schichten eindimensionale Festkörper! viele verschiedene Typen, smektisch -A, -B, -C,... kompliziert (griech. Seife)

8 theoretische Beschreibung der nematischen Phase: Direktor kein Vektorfeld! beschrieben durch mathematisch:... projektiver Raum

9 effektive Feldtheorie für Freie Energie: ( elastische Energie )... Frank-Oseen-Zocher freie Energie erlaubte Zustände sind lokale Minima von

10 1) möchte sich parallel zum elektr. Feld ausrichten Gleichgewicht zw. und elast. Kraft. 2) optische Achse Polarisationsrichtung folgt 2 Effekte: ausgenutzt in LC-Display: äußeres elektrisches Feld

11 Grundprinzip des (twisted) LC Displays:

12 Defekte in nematischen Flüssigkristallen sind verantwortlich für charakteristische Faden- und Schliereneffekte Flüssigkeit abkühlen Phasenübergang, Regionen mit unterschiedlicher Richtung von Defekt = Gebiet in dem nicht definiert Punkt – und Liniendefekte

13 Liniendefekte Querschnitt: topologische Klassifizierung: Windungszahl ( gibt es nicht in Ferromagneten!)

14 Schlieren unter Polarisationsmikroskop: gekreuzte Polarisationsfilter S=1 S=1/2 S= -1/2

15 Lösung für Liniendefekt: Lösung:in Polarkoordinaten Extremum:

16 1) Defekte mit sind instabil: Flucht in die 3. Dimension 2) Defekte sind mit äquivalent es gibt nur EINE Klasse von stabilen Linien-Defekten mathemat. Grund: (Topologie) (erste Fundamentalgruppe) wieviele verschiedene Defekte gibt es? unterscheide stabile und instabile Defekte: physikal. Raum Ordnungsparameter- Raum

17 Punktdefekte Querschnitt: topolog. Klassifizierung: Ladung Q mathematisch: Abbildungen charakterisiert durch nurerhalten! Q= -1 Punktdefekte mit negativem Q sind instabil,

18 Deformation von Q = 1 in Q = -1:

19 2) Wechselwirkung zwischen Defekten : Defekte gleicher Ladung stossen sich ab, Defekte verschiedener Ladung ziehen sich an Liniendefekte: Punktdefekte: Kraft unabhängig vom Abstand (vgl. Quarks!) 1) Punktdefekt mit Q=2N zerfällt in 2 Defekte mit Q=N Defekte sind dynamische Objekte!

20 3) Defekte gleicher (entgegengesetzter) Ladung können sich anihilieren: Analogien zur Teilchenphysik! aber: nur erhalten, oder

21 Weitere Aspekte: 1) Trübheit von Flüssigkristallen: = Konsequenz der spontanen Symmetriebrechung (Ordnung): masselose Goldstone-bosonen (kein Energiegap) = langwellige Oszillationen des Ordnungsparameters Photonen streuen an Fluktuationen 2) Kern der Defekte: freie Energie groß Phasenübergang

22 Blue phase: enger Temperaturbereich bei Übergang twisted-nematisch – isotrop: Gitter aus Defekten! starke Bragg-Streuung sehr temperatur-empfindlich

23 Ordnungsparameter & statistische Physik Ordnungsparameter ist Tensor 2. Stufe: … skalarer Ordnungsparameter invarianter Term 3. Ordnung (Landau-de Gennes) Phasenübergang nematisch – isotrop ist 1. Ordnung (im Gegensatz zu z.B. Ferromagnetismus) elektr., magnet. Suszeptibilitat etc ….

24 lyotrope Flüssigkristalle: Phasenübergänge durch Änderung der Konzentration in Lösung z.B.: Seife, DNA, Tobacco-Mosaic-Virus,... wichtig für biologische Systeme! (Zellmembran,...)

25 Ausblick ferroelektrische Flüssigkristalle interessant für schnelle Bildschirme, … Einsatz als Temperatursensoren, Drucksensoren wichtige Rolle in biologischen Systemen Modell für Phänomene der Elementarteilchenphysik, Phasenübergange im frühen Universum


Herunterladen ppt "Nematische Flüssigkristalle Was ist ein Flüssigkristall? 1) milchig-trübe Flüssigkeit: keine bevorzugte Form, kleine Viskosität wird beim Erwärmen klar."

Ähnliche Präsentationen


Google-Anzeigen