LCEs vereinen Gummielastizität mit den anisotropen physikalischen Eigenschaften von thermotrop flüssigkristallinen Phasen. Der LC Phasenzustand in den linearen Ausgangspolymeren und Polymernetzwerken wird durch starre stäbchenförmige oder scheibchenförmige Moleküle, den so genannten Mesogenen, erzielt: Entsprechend der chemischen Konstitution der Mesogene sind Polymernetzwerke mit nematischer, cholesterischer oder smektischer Phase realisierbar.

Die Kopplung der flüssigkristallinen Phasenstruktur und des flüssigkristallinen Ordnungszustandes mit den entropieelastischen Eigenschaften des Polymernetzwerkes resultiert in einzigartigen Eigenschaften.

Siehe auch: Vortrag von Prof. Finkelmann (Videoaufzeichnung) zur Einführung in LCEs

Direktororientierung nematischer Elastomere durch mechanische Felder

Eine uniaxiale Deformation einer nematischen Polydomäne führt zu einer Monodomäne mit makroskopisch einheitlicher Dirktororientierung in Richtung des mechanischen Feldes. Das nematische Elastomer zeigt im geordneten Zustand z.B. optische Eigenschaften eines organischen oder anorganischen Einkristalls.

Ursache: Kopplung des nematischen Ordnungszustandes an die Netzkettenkonformation.

Thermoelastisches Verhalten nematischer Hauptkettenelastomere

Makroskopisch einheitlich geordnete nematische Netzwerke (LSCE) zeigen extreme Dimensionsänderungen in Abhängigkeit von der Temperatur.

Monodomäne (klicken für Video)

Bigummi (klicken für Video)

Ursache: Der temperaturabhängige Ordnungszustand der nematischen Phase koppelt direkt an die Konformation der Netzketten.

²H-NMR Untersuchungen zur Biaxialität von flüssigkristallinen Seitenketten-Polymeren

Bereits 1970 sagte Freiser die theoretische Existenz von biaxial-nematischen Flüssigkristallen voraus [1]. Seit dem gab es die verschiedensten Versuche diese spezielle nematische Phase experimentell nachzuweisen, in der die Mesogene nicht nur mit ihrer Moleküllängsachse entlang des Hauptdirektors ausgerichtet sind, sondern in der auch die anderen zwei Molekülachsen makroskopisch orientiert sind. Bis jetzt gelang der einzige anerkannte Beweis für eine solche biaxiale Phase in einem lyotropes System [2], in dem die treibende Kraft für die Ausbildung einer biaxialen Phase eher im Bereich der Aggregationsanisotropie als der molekularen Anisotropie einzuorden ist.

Mit Hilfe von Deuterium–NMR Experimenten untersuchen wir flüssigkristalline Seitenketten-Polymere, in denen die Rotation um die Mesogenlängsachse durch eine seitliche Anbindung an die Polymerhauptkette behindert werden kann. Diese Rotation um die Mesogenlängsachse wird als ein Problem angesehen, das der Ausbildung einer biaxial-nematischen Phase in niedermolekularen Systemen entgegen wirkt. Im Vergleich zu diesen lateral angebundenen Seitenketten-Polymeren untersuchen wir außerdem verschiedene Polymere mit einer Terminalanbindung der Seitenketten an die Polymerhauptkette, in denen die Rotationsbehinderung vermutlich von der Länge des Alkylspacers zwischen Mesogen und Hauptkette abhängt.

Die Phasenbiaxialität wird durch die Messung von quadrupolaren Aufspaltungen des NMR-Signals einer Spinsonde in einer makroskopisch orientierten Probe unter verschiedenen Winkeln zwischen Hauptdirektor und Magnetfeld untersucht. Die Messung von Direktorrelaxationszeiten bei verschiedenen Temperaturen ergab, dass diese in Bereich der Zeit liegen, welche für die Aufnahme eines vollen Spektrums benötigt wird. Um sich daraus ergebene Relaxationsprobleme bei der Akquisition zu umgehen, verwenden wir die „rapid sample flip“ Methode von Lucio Frydman [3]. Hierbei wird die Probe lediglich für die Aufnahmezeit eines einzigen Transienten in den gewünschten Winkel ausgelenkt wird, während sie für die vergleichsweise lange Equilibrierzeit in die energetisch günstigere 0°-Position zurückgedreht wird.

Neben anderen Problemen stellt die große Breite der Peaks in Polymerproben eine erheblich Einschränkung dar, die für die Bereitstellung eines experimentellen Beweises einer biaxial-nematischen Phase überwunden werden muss. Die Messung von ein- und zwei-dimensionalen Echoexperimenten soll zur Lösung diese Problems beitragen.

Cholesterische Elastomere und deren optische Eigenschaften

Cholesterische Elastomere mit Monodomänenstruktur zeigen in Abhängigkeit von mechanischer Belastung eine Änderung der Reflexionswellenlänge. Mit Fuoreszenzfarbstoff dotierte Systeme zeigen eine deformationsabhängige Verschiebung der Laseremission.

Dehnungsabhängige Reflexion eines cholesterischen Elastomers

Anisotropie der mechanischen Eigenschaften von smektisch A LSCE

a) Deformation senkrecht zur smektischen Schichtnormalen zeigt gummielastischen (entropieelastischen) Modul des Netzwerkes.

b) Deformation parallel zur smektischen Schichtstruktur zeigt hohen (enthalpieelastischen) Modul der smektischen Schichtstruktur. Deformation führt zur Zerstörung der einheitlichen smektischen Schichtstruktur.

Die Arbeit zu diesem Thema von Dr. Etsushi Nishikawa wurde mit dem Glenn H. Brown Preis 2000 ausgezeichnet.

Chiral smektische C Elastomere

Durch Scherdeformation sind Elastomere mit chiral smektischer C Phasenstruktur (SC*-Phase) makroskopisch einheitlich orientierbar und als SC*-LSCE erhältlich. Aufgrund ihrer C2-Phasensymmetrie zeigen diese Netzwerke piezoelektrische und pyroelektrische Eigenschafen sowie nichtlineare optische Eigenschaften wie Frequenzverdopplung.