Ein Thermometer aus Flüssigkristallen Modulsponsor: Dieses Modul wurde mit freundlicher Unterstützung der Metrohm Stiftung Herisau realisiert. September 2014

Flüssigkristall im Wasserbad Thermotrope Flüssigkristalle ändern ihre Farbe in Abhängigkeit der Temperatur Quelle: Swiss Nano-Cube Flüssigkristall im Wasserbad Detaillierte Informationen zum Thema sind in der Experimentieranleitung „Flüssigkristalle“ zu finden.

Inhalt Einführung Experimentelle Durchführung Theoretische Grundlagen Materialien, Chemikalien, Vorgehen Sicherheitshinweise Theoretische Grundlagen Sichtbares Licht Thermotrope Flüssigkristalle Lernziele/Kontrollfragen

Einführung Verwendung von Flüssigkristallen in LCD Bildschirmen Flüssigkristalle können auf Veränderungen ihrer Umgebung mit einer Farbveränderung reagieren. Elektrische Spannung Magnetfelder Temperatur LCD Bildschirm: „Liquid Crystal Display“

Experimentelle Durchführung Video: Vorgehen bei der Herstellung eines Flüssigkristall-Thermometers Video Flüssigkristalle www.swissnanocube.ch

Experimentelle Durchführung Flüssigkristallthermometer bei Raumtemperatur Quelle: Swiss Nano-Cube

Experimentelle Durchführung Sicherheitshinweise Schutzbrille, Labormantel, Handschuhe

Theoretische Grundlagen Repetition: Wellen und sichtbares Licht Zu welcher Art von Wellen gehören Lichtwellen?

Theoretische Grundlagen Elektromagnetische Wellen 0.01 nm 1 nm 100 nm 400 nm 700 nm 1 cm 1 km sichtbares Licht Quelle: Swiss Nano-Cube

Theoretische Grundlagen Repetition: Wellen und sichtbares Licht Wie werden Lichtwellen charakterisiert?

Theoretische Grundlagen Repetition: Wellen und sichtbares Licht Wellenlänge λ Amplitude A Quelle: Swiss Nano-Cube Wellenlänge sichtbares Licht: 400 nm bis 700 nm

Theoretische Grundlagen Aufbau von „thermotropen“ Flüssigkristallen Thermotrope Flüssigkristalle sind Überganszustände zwischen der festen (kristallinen) und der flüssigen Phase. Je „flüssiger“ eine Substanz, desto weniger Ordnung weisen die Moleküle auf. Je nach Temperatur sind die Moleküle im Überganszustand unterschiedlich stark geordnet. Kristall Flüssigkristall Flüssigkeit Hohe Ordnung Abnehmende Ordnung Keine Ordnung Molekülordnungs-Grad Temperaturzunahme

Theoretische Grundlagen Aufbau von „thermotropen“ Flüssigkristallen Flüssigkristalle können nur entstehen, wenn die Moleküle bestimmte Symmetrieeigenschaften haben: Mesogene Eigenschaften. Flüssigkristalle bestehen aus mehreren Molekülschichten. Die Längsachsen der Moleküle einer Schicht zeigen alle in die gleiche Richtung. Die Längsachsen der übereinander gelegenen Moleküle sind leicht gegeneinander verschoben. Es entsteht eine wendeltreppenförmige Anordnung, eine sogenannte Helix.

Theoretische Grundlagen Aufbau von „thermotropen“ Flüssigkristallen Helix/Pitch (Ganghöhe) Längsachse eines Moleküls Molekülebene im Flüssigkristall Quelle: Swiss Nano-Cube

Theoretische Grundlagen Aufbau von „thermotropen“ Flüssigkristallen Die Ganghöhe ist abhängig von der Temperatur und liegt im Bereich von 400 bis 700 nm. Wenn die Temperatur zunimmt, driften die Moleküle auseinander und die Ganghöhe wird grösser. 400-700 nm Quelle: Swiss Nano-Cube

Theoretische Grundlagen Die Wellenlänge von sichtbarem Licht liegt zwischen 400 und 700 nm und damit im Bereich der Ganghöhe der Helix von Flüssigkristallen!

Theoretische Grundlagen Flüssigkristalle und sichtbares Licht Flüssigkristalle können mit Lichtwellen wechselwirken. Jene Lichtwellen, deren Wellenlängen der Ganghöhe der Helix entsprechen, werden reflektiert. Flüssigkristalle verändern das Spektrum des sichtbaren Lichtes. Je nach Temperatur ist die Ganhöhe verschieden und andere Wellenlängen des Spektrums werden reflektiert. Die Farbe der Flüssigkristalle ist somit abhängig von der Temperatur.

Theoretische Grundlagen Flüssigkristalle und sichtbares Licht Quelle: Swiss Nano-Cube

Theoretische Grundlagen Anwendungen LCD = Liquid Crystal Display = Flüssigkristallbildschirm Farben werden durch Flüssigkristalle erzeugt. Die Ordnung der Moleküle der Flüssigkristalle wird in LCD- Bildschirmen durch Veränderung der elektrischen Spannung beeinflusst. Je nach Ordnungsgrad besitzen die Flüssigkristalle eine andere Farbe.

Lernziele/Kontrollfragen Den Unterschied zwischen einem Flüssigkristall und einem festen Kristall verstehen. Verstehen, was ein thermotroper Flüssigkristall ist. Verstehen, was eine Flüssigkristall-Helix ist und wie die Eigenschaften der Helix (Ganghöhe) durch die Temperatur beeinflusst werden. Verstehen, warum Flüssigkristalle bei Temperatur-veränderungen ihre Farbe ändern können.