Förderung der Flüssigkristalltechnologie für flexiblere, intelligentere und funktionellere Materialien
Bessere Kenntnisse über Flüssigkristalle werden neue Ansätze für ihre Anwendung in völlig anderen Bereichen als bei Tablet- und Handy-Displays – ihrer derzeit häufigsten Verwendung – ermöglichen. Flüssigkristalle haben ein enormes Potenzial für viele aufkommende Technologien, da sie dank ihrer flüssigen, leichten Eigenschaften ein hohes Maß an wiederholtem Dehnen und Biegen überstehen und häufig für ihren Betrieb keinen Strom benötigen. Hinzu kommt, dass Flüssigkristalle relativ günstig in der Herstellung sind.
Arbeiten zu formverändernden Flüssigkristall-Elastomeren führen zu interessanten, unerwarteten Ergebnissen
Im Rahmen des EFR-finanzierten Projekts INTERACT konnten tiefe Einblicke in das Verhalten von Flüssigkristallen gewonnen werden, die von den flachen Standardgeometrien abweichen, in denen sie jahrzehntelang untersucht und verwendet wurden. INTERACT hat völlig unvorhergesehene Merkmale entdeckt, wie beispielsweise einen Flüssigkristall mit einer unregelmäßigen Anordnung seiner Bestandteile, bei dem Moleküle so angeordnet sind, dass sie eine bestimmte Richtung vermeiden, anstatt sich entlang dieser auszurichten. „Dieser sogenannte Flüssigkristall mit dem Parameter negativer Ordnung war zwar schon vorher theoretisch konzipiert worden, wurde aber in der Praxis nie untersucht. Nun konnten wir jedoch ein solches Material in Form unserer schalenförmigen Flüssigkristall-Elastomeraktoren herstellen“, erläutert der EFR-Stipendiat und Hauptforscher Jan Lagerwall. Flüssigkristall-Elastomere sind eine einzigartige Klasse von Materialien, die große Formveränderungen aufweisen, wenn sie verschiedenen Stimuli ausgesetzt werden. Diese Materialien können als Aktoren verwendet werden – Geräte, die verschiedene Arten gespeicherter Energie in Bewegung umwandeln. „Aufgrund der umgekehrten Anordnung reagiert das Material auf Temperaturänderungen in genau entgegengesetzter Richtung zu herkömmlichen Flüssigkristall-Elastomeren“, erklärt er. Das INTERACT-Team hat auch wertvolle neue Erkenntnisse darüber gewonnen, wie Flüssigkristalle und Polymerlösungen nebeneinander fließen können. Dies ist für die Herstellung funktionalisierter Flüssigkristallfasern erforderlich, die beispielsweise für reaktionsfähige Textilien verwendet werden könnten. „Für viele Materialkombinationen stellt dies eine echte Herausforderung dar, aber unsere Forschung hat uns ein viel klareres Bild davon vermittelt, wie unerwünschte Ergebnisse vermieden werden können“, so Lagerwall. „Darüber hinaus haben wir auch bei den Methoden zur Aufrechterhaltung der flüssigkristallinen Ordnung in gummiartigen oder festen Zuständen bedeutende Fortschritte erzielt, indem wir das System polymerisiert haben, ohne die Ordnung negativ zu beeinflussen.“ „Dank dieser wissenschaftlichen Errungenschaften ist das Projekt neuen Anwendungen für Flüssigkristalle näher gekommen, zumindest in Bezug auf tragbare Technologie und sichere Authentifizierung“, so Lagerwall weiter. INTERACT hat jetzt „ein relativ klares Verständnis dafür, wie Flüssigkristalle tatsächlich in echte Textilfasern eingearbeitet werden können, die für Kleidungsstücke verwendet werden könnten.“
Durchbruch bei sicheren Authentifizierungskennzeichen
Die Forschenden haben Authentifizierungskennzeichen erstellt, mit denen Zielobjekten ein eindeutiger Fingerabdruck zugewiesen werden kann. Das Kennzeichen ist so konzipiert, dass es tatsächlich in das jeweilige Objekt integriert werden kann und dient daher als höchst zuverlässiges Werkzeug zur Fälschungsbekämpfung. Dem Team ist es gelungen, die Kennzeichen von farbenfroh bis hin zu fast unsichtbar herzustellen, so dass sie an die Umgebung, in der sie angewendet werden, angepasst werden können. „Wir glauben, dass sie durch weitere Optimierung der verwendeten Materialien sogar völlig unsichtbar werden können“, fügt der Hauptforscher hinzu. Da das Projekt im März 2020 enden soll, hat das Team bereits eine Patentanmeldung für seine Materialien eingereicht. Zwei weitere sind in Vorbereitung. Die laufenden Experimente zielen auf echte Textilfasern mit Flüssigkristallen im Inneren sowie auf die Umsetzung röhrenförmiger Flüssigkristall-Elastomere ab. Für Forschende in den Bereichen Materialwissenschaft und Flüssigkristallphysik sowie Chemie und Ingenieurwissenschaft hat INTERACT einige wichtige Fragen dazu geklärt, wie Flüssigkristalle in komplexe Geometrien wie Fasern, Schalen und Röhren eingebunden werden können. Das Projekt hat gezeigt, dass das Verhalten des Flüssigkristalls sehr unterschiedlich sein kann, je nachdem, wie die Probe hergestellt wurde und welche Eigenschaften sie hat. Für die Ingenieurwissenschaft und die Industrie insgesamt „hoffe ich aufrichtig, dass die Ergebnisse von INTERACT neue Anwendungen für Flüssigkristalle inspirieren werden und alte und neu auftretende Probleme durch die Verwendung von Flüssigkristallen aus Zellulose auf neue, bessere und nachhaltigere Weise gelöst werden können“, so Lagerwall abschließend.
Schlüsselbegriffe
INTERACT, Flüssigkristall, Materialien, Flüssigkristall-Elastomere, Polymer, Textilfasern, Authentifizierungskennzeichen