Molekulare Dynamik eines diskotischen Flüssigkristalls und benutzte experimentelle Methoden
Quelle: BAM, Fachbereich Physik und chemische Analytik der Polymere
Scheibchenförmige Moleküle mit aromatischen Kernen und Alkylketten als Substituenten, wie Triphenylene, können durch Selbstorganisation säulenartige Strukturen ausbilden, die sich weiter in eine hexagonale flüssigkristalline Phase organisieren. Diese innovativen Materialien werden Diskotische Flüssigkristalle genannt (DLCs). Die Selbstorganisation ist im Wesentlichen durch π π Wechselwirkungen der aromatischen Kerne bedingt, während die Alkylketten den Raum zwischen den Säulenstrukturen füllen. Dadurch üben die steifen Säulen eine Einschränkung auf die Alkylgruppen auf einer räumlichen Skala von wenigen Nanometern aus. Da die Säulen nicht perfekt geordnet sind können sie als eindimensionale Flüssigkeit betrachtet werden.
DLCs haben Eigenschaften wie eindimensionalen Ladungstransport oder lichtsammelnde Fähigkeiten. Diese Eigenschaften machen DLCs interessant als vielversprechende Materialien für elektronische Anwendungen, z. B. in Feld-Effekt-Transistoren, in photovoltaischen Zellen oder als Nanodrähte in der molekularen Elektronik. Für alle diese Anwendungen spielt die molekulare Beweglichkeit in diesen innovativen Materialien eine Schlüsselrolle.
Es wurde eine ausgewählte Reihe von dipolfunktionalisierten auf Triphenylenen basierenden DLCs synthetisiert und in einer systematischen Art und Weise bezüglich des Phasenverhaltens und der molekularen Beweglichkeit studiert. Das Phasenverhalten wurde mit Röntgenstreuung und polarisierter optischer Mikroskopie untersucht.
Besonderes Augenmerk wurde auf die Untersuchung der molekularen Beweglichkeit in einem weiten Frequenz- und Temperaturbereich gelegt. Dazu wurde zum ersten Mal die breitbandige Spektroskopie (10-1 Hz. – 109 Hz) mit hochmodernen kalorimetrischen Methoden wie der Differentiellen Scanning Kalorimetrie (DSC), der temperaturmodulierten DSC, der Hyper-DSC, der Fast Scanning Kalorimetrie und der spezifischen Wärmespektroskopie kombiniert.
Überraschender Weise wurden neben einem Prozess der lokalisierten Bewegungen zuzuordnen ist, zwei unterschiedliche Relaxationsprozesse beobachtet, die der kooperativen glasartigen Dynamik entsprechen. Der erste Prozess bei höheren Temperaturen wurde einem Glasübergang in dem Raum zwischen den Säulen zugeordnet, der einem Glasübergang unter räumlicher Beschränkung entspricht. Der zweite Prozess bei tieferen Temperaturen wurde Fluktuationen der Kerne in den Säulen zugeschrieben und entspricht damit einem Glasübergang in einer eindimensionalen Flüssigkeit.
Multiple glassy dynamics in dipole functionalized triphenylene-based discotic liquid crystals revealed by broadband dielectric spectroscopy and advanced calorimetry – assessment of the molecular origin
Arda Yildirim, A. Bühlmeyer, S. Hayash, J. C. Haenle, K. Sentker, Christina Krause, Patrick Huber, Sabine Laschat, Andreas Schönhals
erschienen in Physical Chemistry Chemical Physics, Vol. 21, Issue 33, pp 18265-18277, 2019.
BAM, Fachbereich Physik und chemische Analytik der Polymere