Bananen, Kolloquien und forschen auf Hawaii

Zwölf Jahre Sonderforschungsbereich ”Anisotrope Fluide”

In Zukunft werden die Flüssigkristallanzeigen eine ernsthafte Konkurrenz zu den Kathodenstrahlröhren darstellen, die in herkömmlichen Fernsehern und PC-Monitoren eingebaut sind. Flüssigkristallanzeigen sind flacher, flimmerfrei, verbrauchen weniger Energie und erzeugen keine Röntgenstrahlung.

Daß die Flüssigkristalle den Sprung ins 21. Jahrhundert mit neuen Anwendungen auf verschiedenen Gebieten schaffen werden, dazu haben wohl auch die Wissenschaftler des Sonderforschungsbereiches 335 ”Anisotrope Fluide” an der TU Berlin beigetragen. Über zwölf Jahre hinweg waren die Forscher damit beschäftigt, den Geheimnissen der flüssigkristallinen Materialien auf die Spur zu kommen. Am 31. 12. 1998 endete der Sfb 335 und seine Mitarbeiter trafen sich in der vergangenen Woche zum letzten Mal, um Rückblick zu halten und Bilanz zu ziehen.

VIELE VERÖFFENTLICHUNGEN UND PREISE

Eine Bilanz, die sich sehen lassen kann: 26,8 Millionen Mark eingeworbene Drittmittel, von denen 24 Millionen an der TU verblieben sind, eine außergewöhnlich breite interdisziplinäre Zusammenarbeit, mehr als 800 Publikationen, über 1000 Vorträge, etwa 400 Diplomarbeiten, 150 Dissertationen und drei abgeschlossene Habilitationsverfahren gehören zu den zählbaren Ergebnissen. Hinzu kommen verschiedene Preise, darunter der Carl-Ramsauer-Preis, der Tiburtius-Preis und internationale Anerkennungen für weltweit herausragende Dissertationsleistungen auf dem Gebiet der Flüssigkristalle.

Flüssigkristalline Materialien bestehen aus stäbchenförmigen Molekülen, die wie die meisten organischen Materialien, hauptsächlich aus den Elementen Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff aufgebaut sind. In der festen Phase, im Kristall, nehmen diese Moleküle ganz bestimmte Positionen und Richtungen zueinander ein. In der Schmelze dagegen erwartet man eine vollständige Unordnung. Doch ehe diese bei den stäbchenförmigen Molekülen auftritt, durchläuft das Material nach dem Schmelzen eine oder mehrere Phasen, die zwar flüssig sind, in denen aber die Moleküle noch alle in die gleiche Richtung zeigen. Die Flüssigkeit ist dadurch in ihrem Aufbau anisotrop, und ihre physikalischen Eigenschaften sind richtungsabhängig. Ein Flüssigkristall ist beispielsweise doppelbrechend, er hat zwei verschiedene optische Brechungsindices. Die Ausbreitung des Lichts hängt davon ab, wie der Festkörper durchstrahlt wird. Erst wenn man den Flüssigkristall weiter erwärmt, verschwindet die Ausrichtung der Moleküle. Sie bewegen sich ungeordnet zueinander und die Flüssigkeit wird isotrop.

INTERDISZIPLINÄRE ZUSAMMENARBEIT

Die Wissenschaftler des Sfbs waren angetreten, diese merkwürdigen Phasen zwischen fest und flüssig genauer unter die Lupe zu nehmen. Welche Materialien haben flüssigkristalline Phasen? Welche Strukturmerkmale weisen diese Phasen auf und wie laufen die Phasenumwandlungen ab? Wie kann man durch Veränderungen am Molekül besondere Eigenschaften erzeugen? Läßt sich das Verhalten eines Flüssigkristalls anhand von Modellvorstellungen vorhersagen? Gibt es Anwendungen, die über die Displaytechnik hinausgehen, etwa im Bereich optischer Datenspeicher hoher Dichte? Diesen und anderen Fragen wollten die Forscher nachgehen. Fragen, die nur in einer engen interdisziplinären Zusammenarbeit von Chemikern, Physikern, Ingenieurwissenschaftlern und Materialwissenschaftlern gelöst werden konnten. So wurden beispielsweise von den theoretischen Physikern Eigenschaften der Flüssigkristalle vorhergesagt. Um deren Existenz auch in der Praxis überprüfen zu können, waren die Chemiker gefordert, die passenden Substanzen zu synthetisieren. Die Untersuchungen wurden dann in speziellen Meßzellen durchgeführt, die die Feinwerktechniker bis auf Bruchteile von tausendstel Millimetern genau herstellten.

Die Entwicklung technischer Anwendungen war im Sfb durchaus erwünscht, wovon eine Vielzahl von Patenten zeugt. Sie war aber nie das unmittelbare Ziel, obwohl auch Wolfgang Helfrich von der Freien Universität und einer der beiden Erfinder der Flüssigkristallanzeigen als Projektleiter mit dabei war. 1968 entdeckten er und Martin Schadt, daß durch Anlegen einer elektrischen Spannung Flüssigkristallschichten von lichtdurchlässig nach dunkel schalten können (siehe Infokasten). Das war die Geburtsstunde der Flüssigkristallanzeige. Etwa um 1976 kamen die ersten Taschenrechner mit Flüssigkristallanzeigen auf den Markt. Jede Zahl bestand aus sieben Segmenten, welche getrennt voneinander geschaltet werden konnten. Heute, gut zwanzig Jahre später, sind LCDs aus dem Alltag kaum noch wegzudenken, sie finden sich in den Anzeigen technischer Geräte ebenso wie in Laptops oder Tamagotchis.

Die Wissenschaftler des Sfb 335 haben seitdem Flüssigkristalle mit Molekülen der verschiedensten Formen hergestellt, darunter Scheiben, Hanteln, Hütchen und sogar Moleküle in Form von Bananen. Sie konnten zeigen, daß die Form der Moleküle die physikalischen Eigenschaften des Flüssigkristalls bestimmt. Die hantelförmigen Moleküle, in letzter Minute in den Labors von Klaus Praefcke synthetisiert, bevor die Umbaukolonne das Labor räumte, haben sogar drei unterschiedliche Brechungsindices in den drei Raumrichtungen. Die Eigenschaften der bananenförmigen Flüssigkristalle sind bis heute unverstanden. Die Forscher des Sonderforschungsbereiches 335 kochten Flüssigkristalle, mit denen sie mehrere Weltrekorde halten, zum Beispiel bei der Drehung der Schwingungsebene des Lichtes und im Kristallhochsprung, wie man im Buch ”Chemische Rekorde” aus dem Verlag Wiley-VCH nachlesen kann. Weil beim Erwärmen des Kristalls alle Moleküle auf einmal ihre Form verändern, vergleichbar dem Aufklappen eines Regenschirmes, macht der Kristall einen Sprung.

Auch wenn der Sfb eigentlich der Grundlagenforschung diente und nicht explizit auf die Anwendung ausgerichtet war, so haben die Wissenschaftler um Siegfried Hess und Gerd Heppke, die beiden Sprecher des Sonderforschungsbereiches, auch auf diesem Gebiet einiges geleistet: z. B. die Arbeiten von Heinz-Siegfried Kitzerow über das Einschließen von flüssigkristallinen Tröpfchen in Polymerfolien. Auf diese Weise lassen sich großflächige Scheiben bauen, die auf Knopfdruck von klar auf Milchglas schalten. Das Sonnenlicht kann ausgeblendet, neugierige Blicke verhindert werden. In den Labors von Hans-Joachim Eichler und Rainer Macdonald wird an optischen Speichern gearbeitet, die enorme Speicherdichten durch holographische Datenspeicherung in flüssigkristallinen Photopolymeren ermöglichen sollen. Die Entwicklung sogenannter ferroelektrischer Flüssigkristalle, die besonders schnell zwischen hell und dunkel schalten können, in der Arbeitsgruppe um Gerd Heppke dient der nächsten Generation von Flachbildschirmen, die aufgrund der schnellen Schaltzeiten und des internen Speichervermögens großflächig videofähig sind.

DIE UNIVERSITÄRE FORSCHUNGSFÖRDERUNG HAT GEGRIFFEN

Ein Grund für den Erfolg des Sonderforschungsbereiches dürfte in seiner Vorgeschichte liegen. Schon 1978 wurde ein interdisziplinärer Forschungsschwerpunkt ”Flüssigkristalle” an der TU Berlin eingerichtet, der sich zum ersten Universitären Forschungsschwerpunkt (UF1) ”Flüssigkristalline Phasen und ihre elektrooptischen Anwendungen” mauserte. Schließlich entstand, in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Freien Universität Berlin, der Sonderforschungsbereich ”Anisotrope Fluide”. Später kamen Arbeitsgruppen der Martin-Luther-Universität Halle, der Uni-Paderborn und des Max-Planck-Institutes für Kolloid- und Grenzflächenforschung Teltow dazu. ”Hier hat die universitäre Forschungsförderung wirklich gegriffen” kommentiert Feodor Oestreicher, Geschäftsführer des Sonderforschungsbereiches, die Entstehung des Sfbs.

VOM STUDI ZUM PROF

Auch im Bereich der Nachwuchsförderung brachte der Sfb Neuerungen. Das erste Doktorandenkolloquium wurde vom Sfb 335 auf Anregung des damaligen Präsidenten der Deutschen Forschungsgemeinschaft, Hubert Markl, durchgeführt. Es gab den Doktoranden die Möglichkeit, ihre Arbeiten vorzustellen, sie konnten - und sollten - publizieren ohne ihre Betreuer und hatten die Möglichkeit, auch unfertige Ergebnisse vor- und zur Diskussion zu stellen. Heute gehören Doktorandenkolloquien zu den Pflichtveranstaltungen eines Sonderforschungsbereiches. Und manch einer der Doktoranden wird seine Forschung zum Thema Flüssigkristalle weiter fortsetzen. Zu ihnen gehört Heinz-Siegfried Kitzerow: Zu Beginn des Sonderforschungsbereiches als Studentische Hilfskraft tätig, wurde der Sfb entscheidend für seine berufliche Karriere. Kitzerow arbeitet als Diplomand, Doktorand und Habilitand. Der Sfb ermöglichte ihm Auslandsaufenthalte in Paris und Hawaii. Heute lehrt Kitzerow als C4-Professor an der Uni Paderborn.

Ursula Resch-Esser