Die Physik der flüssigkristallinen Phase ist eines der technologisch bedeutsamsten Fachgebiete der Experimentalphysik die es derzeit gibt.
Seit der erstmaligen Entdeckung flüssigkristalliner Substanzen durch den Botaniker Friedrich Reinizer im Jahre 1888 hat sich dieses Forschungsgebiet - insbesondere in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts - stürmisch entwickelt. Durch die Entwickelung der elektrooptischen TN-Zellen durch M. Schadt und W. Helfrich im Jahr 1971 sind Flüssigkristalle durch die Verbreitung der Flüssigkristallbildschirme und Flüssigkristallanzeigen als Grundlage der modernen Informationsgesellschaft nicht mehr wegzudenken.
Um so erstaunlicher ist es, dass für die Einarbeitung in dieses Fachgebiet - abgesehen von der speziellen Fachliteratur - kaum Informationen für Einsteiger vorhanden sind, welche die Grundlagen der Flüssigkristalltechnologien behandeln.
Diese an der TU Clausthal durchgeführte Forschungsarbeit gibt einen Überblick über die Physik nematischer Flüssigkristalle : Neben den allgemeinen Grundlagen zu Flüssigkristallen und ihrer Entdeckung wird die Synthese eines Raumtemperaturflüssigkristalls beschrieben und dessen thermische und optische Eigenschaften im Hinblick auf den Selbstbau einer funktionsfähigen, kleinen elektrooptischen Zelle auf der Basis nematischer Flüssigkristalle behandelt.
Der Text eignet sich hervorragend zur Einführung der Flüssigkristalltechnologie im Rahmen des Physik- oder Chemieunterrichtes allgemeinbildender Schulen aber auch für die Konzeption von Vorlesungen an Fachhochschulen und Universitäten zu diesem Thema sowie als Handreichung für interessierte Hobby - Techniker.
Dabei wurde auf eine ausführliche Beschreibung von Experimenten mehr Wert gelegt, als genaue, quantitative Zusammenhänge auszuführen.
Inhaltsverzeichnis
Einleitung
Aggregatzustände der Materie
Flüssigkristalle
1. Synthese eines Raumtemperaturflüssigkristalls
1.1. Raumtemperaturflüssigkristalle
1.2.: Chemische Synthese der Substanz Methyloxybenzylidenbutylanilin als Beispiel eines Raumtemperaturflüssigkristalls
1.2.1.: Chemische Reaktion und Reaktionsmechanismus der MBBA – Synthese
1.2.2.: Beschreibung der MBBA – Synthese
1.2.3.: Diskussion von Fehlern und Verfahrensmängeln der Synthese
2. Untersuchung der physikalischen Eigenschaften nematischer Flüssigkristalle
2.1. Thermische Eigenschaften nematischer Flüssigkristalle
2.1.1. Bestimmung der Klärtemperatur nematischer Flüssigkristalle
2.1.2. Bestimmung der Phasenumwandlungstemperaturen und Phasenumwandlungsenthalpien mit Hilfe der Kalorimetrie
2.1.3. Anwendungen der bestimmten Daten
2.2. Untersuchung der optischen Anisotropie von Flüssigkristallen
3. Bau einer Schadt – Helfrich – Zelle und Untersuchung ihrer physikalischen Eigenschaften
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit befasst sich mit den physikalischen Eigenschaften von Flüssigkristallen, insbesondere der nematischen Phase, und deren technischer Anwendung. Ziel ist es, die strukturellen Voraussetzungen für den flüssigkristallinen Zustand zu analysieren, deren physikalische Kenngrößen wie Klärtemperatur und Phasenumwandlungsenthalpie experimentell zu bestimmen sowie den Bau und die Funktionsweise einer elektrooptischen Schadt-Helfrich-Zelle (TN-Zelle) praktisch zu demonstrieren.
- Strukturelle Analyse und Synthese von raumtemperaturstabilen nematischen Flüssigkristallen (z.B. MBBA)
- Untersuchung thermischer Eigenschaften mittels Kalorimetrie und optischer Methoden
- Analyse der optischen Anisotropie und Doppelbrechung in flüssigkristallinen Medien
- Experimentelle Untersuchung von Oberflächenausrichtung und Reibungseffekten
- Praktische Konstruktion, Inbetriebnahme und Charakterisierung einer TN-Flüssigkristallzelle
Auszug aus dem Buch
1.2.2. Beschreibung der MBBA – Synthese
Die für die MBBA – Synthese als Ausgangsstoffe verwendeten Chemikalien sind:
- Methyloxybenzyladenhyd (klare, farblose Flüssigkeit)
- Para – n – Butylanilin (klare, dunkelbraune Flüssigkeit)
- wasserfreies Methanol als Lösungsmittel (klare, farblose Flüssigkeit)
Von dem Methyloxybenzyladenhyd werden für eine Synthese im Labormaßstab ca. 50 mmol benötigt, die gleiche Menge wird von der Substanz Butylanilin verwendet, da für eine stöchiometrisch vollständige Umsetzung die Mole der Edukte im Verhältnis 1:1 stehen, wie die Reaktionsgleichung (3) angibt.
Zusammenfassung der Kapitel
Einleitung: Dieses Kapitel erläutert die Grundlagen der Aggregatzustände der Materie und führt in die spezifische Struktur und Phasenbildung von Flüssigkristallen ein.
1. Synthese eines Raumtemperaturflüssigkristalls: Hier wird der chemische Prozess der Synthese von MBBA beschrieben, inklusive der Reaktionsmechanismen und einer Fehlerdiskussion.
2. Untersuchung der physikalischen Eigenschaften nematischer Flüssigkristalle: Dieses Kapitel widmet sich der experimentellen Bestimmung von Klärtemperaturen, Phasenumwandlungsenthalpien sowie der Analyse der optischen Doppelbrechung.
3. Bau einer Schadt – Helfrich – Zelle und Untersuchung ihrer physikalischen Eigenschaften: Hier wird die technische Konstruktion einer TN-Zelle dargelegt, gefolgt von einer Charakterisierung ihrer elektrooptischen Kennlinien.
Schlüsselwörter
Flüssigkristall, Nematisch, MBBA, Phasenumwandlung, Klärtemperatur, Doppelbrechung, Optische Anisotropie, Kalorimetrie, DSC, Schadt-Helfrich-Zelle, TN-Zelle, Elektrooptik, Indium-Zinn-Oxid, Oberflächenausrichtung, Transmission
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit primär?
Die Arbeit untersucht die physikalischen Eigenschaften von Flüssigkristallen sowie deren technisches Anwendungspotenzial, insbesondere in Form von elektrooptischen Anzeigen.
Was sind die zentralen Themenfelder der Untersuchung?
Die Schwerpunkte liegen auf der chemischen Synthese des Flüssigkristalls MBBA, der experimentellen Bestimmung seiner thermodynamischen Kenngrößen und der Funktionsanalyse von Schadt-Helfrich-Zellen.
Welches Ziel verfolgt die Arbeit?
Ziel ist es, das Verständnis für die physikalischen Prozesse in flüssigkristallinen Substanzen zu vertiefen und den Herstellungsprozess sowie das Schaltverhalten einer TN-Zelle praktisch nachzuvollziehen.
Welche wissenschaftliche Methodik kommt zur Anwendung?
Es werden sowohl chemische Syntheseverfahren unter Schutzgasatmosphäre als auch physikalische Messmethoden wie Differentialkalorimetrie (DSC) und optische Transmissionsexperimente mit polarisiertem Licht eingesetzt.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die Synthese von Flüssigkristallen, deren thermische und optische Charakterisierung sowie eine detaillierte Bauanleitung und Funktionsprüfung für elektrooptische Zellen.
Welche Schlüsselbegriffe definieren die Arbeit?
Wesentliche Begriffe sind die nematische Phase, Doppelbrechung, Klärtemperatur, Schadt-Helfrich-Effekt und die optische Anisotropie.
Was ist das Besondere an der untersuchten MBBA-Substanz?
MBBA ist ein bei Raumtemperatur flüssigkristalliner Stoff, der sich aufgrund seiner Stäbchenform und der daraus resultierenden Anisotropie hervorragend für Demonstrations- und Forschungszwecke im Bereich der Flüssigkristallanzeigen eignet.
Wie lässt sich die optische Anisotropie in einer TN-Zelle steuern?
Die optische Anisotropie wird durch das Anlegen einer elektrischen Spannung gesteuert, welche die stabförmigen Moleküle im Inneren der Zelle ausrichtet und so deren Doppelbrechungseigenschaften beeinflusst.
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- Dipl.Phys.Ing. Jan Flister (Author), 2008, Physikalische Eigenschaften von Flüssigkristallen und Bau einer Schadt - Helfrich - Zelle, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/268754
