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Open Access
Chirality effects in thermotropic and lyotropic nematic liquid crystals under confined geometries
(2019) Dietrich, Clarissa; Giesselmann, Frank (Prof. Dr.)
Chirality is a phenomenon in nature that appears across all disciplines of natural science, from biology to mathematics. The spontaneous formation of chiral structures in a system of achiral components is known as spontaneous mirror symmetry breaking and is by itself of fundamental interest leading also towards the question of the origin of homochirality in nature in general. In this work, we show that by means of the topology imposed by the confining geometry and by interfacial boundary conditions - in combination with the physical properties of a liquid crystal - spontaneous mirror symmetry broken structures can be obtained. They are analyzed, inter alia, with respect to the types of geometrical confinements used, e.g. how the confinement amplifies, induces, and influences the detection of chirality effects in order to facilitate the measurement of tiny amounts of chiral additives qualitatively and quantitatively.
Open Access
Neue smektische Flüssigkristalle des "de Vries-Typs" mit terminalen Carbosilangruppen : Einfluss der Nanosegregation auf Struktur, Dynamik und Phasenumwandlung
(2019) Müller, Carsten; Giesselmann, Frank (Prof. Dr.)
Die vorliegende Arbeit beschäftigte sich mit dem Einfluss der nanosegregierenden Carbosilaneinheiten auf die Struktur, die Phasenumwandlung und die Dynamik neuer smektischer Flüssigkristalle des `de Vries´-Typs. Mithilfe einer Serie von chiralen und einer Serie von achiralen Materialien, die sich jeweils nur durch die nanosegregierende Einheit unterscheiden, konnte der Einfluss der Kopfgruppe näher untersucht werden. • Es wurde gezeigt, dass die Länge der nanosegregierenden Einheit und da-mit der Dicke der Carbosilan-Subschicht einen enormen Einfluss auf die `de Vries´-Eigenschaften hat. Die Größe des Direktorneigungswinkels und die Phasenbreite der SmC-Phasen nimmt mit der Länge der Carbosilanein-heiten zu. Eine längere Silaneinheit führt zu einer verstärkten Nanosegre-gation und somit zu einer höheren Translationsordnung. Röntgenuntersu-chungen und die Messung der optischen Doppelbrechung zeigen, dass die Orientierungsordnung in der SmA-Phase mit der Länge der Carbosilanein-heiten abnimmt. Am SmA-SmC-Phasenübergang nimmt die Orientierungs-ordnung hingegen stark zu, was eine deutliche Verminderung der Schicht-kontraktion in der SmC/SmC*-Phase zur Folge hat. Das Carbotrisilan QL32-6 und das achirale Carbotrisilan gehören damit zu den besten `de Vries´-Materialien, die in der Literatur bekannt sind. Die Art der chemi-schen Verknüpfung der Trisilankopfgruppe an das Mesogen spielt dabei ei-ne untergeordnete Rolle. Zusammen mit Molekülsimulationen wird daher im zeitlichen Mittel eine hemisphärische Konformation der Carbosilan-Segmente angenommen. • Die Untersuchung des elektroklinen Effekts mit einer simultanen Bestimmung des Direktorneigungswinkels und der optischen Doppelbrechung an einem selbst entwickelten optischen Aufbau bestätigt die Tendenz zu einem deutlich stärker ausgeprägtem `de Vries´-Charakter bei längeren Carbosilan-Homologen. Die für `de Vries´-Materialien übliche Kopplung von Di-rektorneigungswinkel und optischer Doppelbrechung ist für das Trisilan QL32-6 stark ausgeprägt und geht für das Monosilan so gut wie verloren. Die Anwendung des literaturbekannten LANGEVIN-Modells zeigt, dass sich die chiralen Materialien dieser Arbeit nur qualitativ damit beschreiben las-sen. Für eine quantitative Beschreibung sind die Annahmen jedoch zu restriktiv und zu vereinfachend, da z.B. Änderungen der effektiven Moleküllänge nicht berücksichtigt werden. • Nachdem der Einfluss der Carbosilankopfgruppe auf das `de Vries´-Verhalten untersucht und verstanden wurde, sollte untersucht werden, wie sich dies auf die dynamischen Eigenschaften auswirkt. Vor allem im Hinblick auf elektro-optische Anwendungen ist diese letzte Fragestellung von großer Bedeutung. Um hier einen quantitativen Einblick zu erlangen, wurden temperaturaufgelöste dielektrische Spektroskopie Messungen über den gesamten Mesophasenbereich der SmA*- und SmC*-Phasen durchgeführt. Die kollektiven Moden wurden ausgewertet und analysiert. Mit den Relaxationszeiten und Suszeptibilitäten konnte die Rotationsviskosität bestimmt werden. Es zeigte sich, dass der Einfluss der Länge der Carbosilaneinheit auf die dynamischen Eigenschaften gering ist. Die Rotationsviskositäten der drei untersuchten Mesogene in der SmC*-Phase unterscheiden sich nur geringfügig. Lediglich in der Nähe der SmA*-SmC*-Phasenumwandlung zeigen sich deutlichere Unterschiede in den Rotationsviskositäten der verschiedenen Materialien. Für eine mögliche Anwendung limitiert die nanosegregierende Carbosilaneinheit die Dynamik also nicht, wohingegen sie unabdingbar für die Ausbildung des `de Vries´-Verhaltens ist. Damit liefert diese Arbeit wichtige Erkenntnisse über die Struktur von smektischen Flüssigkristallen des `de Vries´-Typs. Im Hinblick auf ein anwendungsorientiertes Design neuartiger Materialien lassen sich die gewonnenen Erkenntnisse nutzen, um die Synthese neuer Materialien und deren Eigenschaften gezielt zu steuern. Speziell die Einflüsse auf die wichtigen charakteristischen Größen wie Tiltwinkel, Schichtkontraktion und Ordnungsparameter lassen sich verwenden, um technisch relevante Systeme zu entwickeln.