Neue Einblicke in die lyotrope smektische C* Phase : Untersuchungen zur Phasenstabilität und zum Mechanismus interlamellarer Direktorkorrelation

Abstract

Diese Arbeit beschäftigte sich mit drei zentralen Themen und Fragestellungen, die durch die Entdeckung des ersten Systems mit dem lyotropen Analogon zur thermotropen chiralen smektischen C* Phase aufkamen. Zum einen sollten weitere Systeme gefunden werden, welche die sehr seltene chirale lyotrope SmC* Phase ausbilden, um mehr über die Phasenstabilität und die Bildungsvoraussetzungen dieser Phase zu erfahren. In Kooperation mit dem Arbeitskreis von Prof. Dr. Robert P. Lemieux von der Universität Waterloo in Kanada und Dr. Jan Porada von der Universität Stuttgart ist es gelungen, ausgehend vom Amphiphil G10 zwei neue Amphiphile, JP003 und G10inv, zu synthetisieren, welche die lyo-SmC* Phase ausbilden. Das Amphiphil JP003 bildet diese Phase nur mit Wasser, nicht mit Formamid. In diesem System tritt die lyotrope SmC* Phase rein lösemittelinduziert auf. Das Amphiphil G10inv hingegen bildet die Phase sowohl mit Wasser als auch mit Form-amid. Durch das amphotrope Verhalten von G10inv tritt die Phase sowohl thermotrop als auch lyotrop auf. Schon geringfügige Änderungen der molekularen Struktur des Referenzamphiphils G10 führen zu einer beträchtlichen Änderung sowohl des Phasenverhaltens als auch der Phasenstabilität. Eine weitere zentrale Fragestellung dieser Arbeit beschäftigte sich mit dem Ursprung der Direktorneigung und dem Mechanismus der interlamellaren Korrelation derselben. Durch aufwendige Messungen mittels polarisierter Raman-Spektroskopie konnte gezeigt werden, dass der Ursprung des Direktorneigungswinkels die Neigung des Phenylpyrimidinkerns im Amphiphil G10 ist. Die Neigung der aromatischen Kerne tragen damit den maßgeblichen Anteil zum optischen Tiltwinkel bei. Zusätzlich zeigte der ermittelte Ordnungsparameter des lyotropen Systems Werte, die üblicherweise auch in thermotropen Systemen zu finden sind. Die Domänentextur der lyotropen SmC* Phase in sehr dünnen Zellen lässt auf eine langreichweitige Korrelation des molekularen Neigungswinkels schließen. Es galt zu klären wie die Informationen über Direktorneigungsrichtung und winkel durch die Lösemittelschicht von einer Amphiphildoppelschicht zur nächsten übertragen werden, sodass eine langreichweitige interlamellare Korrelation zustande kommt. Durch Messungen im System G10/deuteriertes Formamid und dem Vergleich mit dem bekannten Systems G10 mit nicht-deuteriertem Formamid konnten in äquimolaren Betrachtungen deutliche Unter-schiede der Tiltwinkel, der Schichtdicken sowie des Phasendiagramms festgestellt werden. Die Direktorneigung ist durch die Deuterierung deutlich geringer und im Phasendiagramm wird die lyotrope SmC* Phase im deuterierten Fall deutlich destabilisiert. Dies zeigt, dass der Mechanismus der Tiltkorrelation empfindlich auf die Dynamik des Wasserstoffbrückennetzwerks reagiert. Der letzte Teil dieser Arbeit entstand in Kooperation mit Prof. Dr. Mikhail Osipov von der Universität von Strathclyde in Glasgow, Schottland und widmete sich der Phasenumwandlung der lyotropen SmC* Phase in die orthogonale lamellare α* Phase. Im Unterschied zu thermotropen Flüssigkristallen kann diese Umwandlung in den neu gefundenen lyotropen Systemen nicht nur durch eine Temperaturerhöhung, sondern auch durch eine Erhöhung der Solvenskonzentration erfolgen. Vergleichende Untersuchungen dieser beiden Umwandlungswege zeigen deutliche Unterschiede auf: Während die temperaturabhängige Phasenumwandlung des lyotropen Systems weitgehend analog zur konventionellen SmC-SmA Umwandlung in thermotropen Flüssigkristallen erfolgt, erweist sich die konzentrationsabhängige Phasenumwandlung als Ordnungs-Unordnungs-Übergang vom de Vries II Typ. Die konzentrationsabhängige Phasenumwandlung wird von einem einfachen theoretischen Modell beschrieben. Dieses Modell bezieht sowohl die exponentiell abfallenden Hydratationskräfte zwischen den Amphiphildoppelschichten als auch die Fluktutionen der Amphiphilneigungsrichtung in den verschiedenen Doppelschichten mit ein. Die gemessenen Daten konnten mithilfe des Modells sehr gut angepasst werden. Das theoretische Modell ist trotz seiner Einfachheit in der Lage den Phasenübergang von der lyotropen SmC* Phase in die lamellare α* Phase sehr gut zu beschreiben. Damit konnten alle zentralen Fragestellungen, mit denen sich diese Doktorarbeit befasste, eingehend beantwortet werden. In dieser Arbeit wurden zwei neue Amphiphile gefunden, welche die sehr seltene lyotrope SmC* Phase bilden können. Desweiteren konnten wichtige Erkenntnisse über die interlamellare Direktorkorrelation sowie die solvensinduzierte Phasenumwandlung der lyotropen SmC* Phase gewonnen werden. Damit trägt die vorliegende Doktorarbeit wesentlich zum tieferen Verständnis der lyotropen SmC* Phase bei.