Struktur und Dynamik der nematischen Phasen aus bent-core Mesogenen mit starken smektischen Fluktuationen

Die Form von Mesogenen ist, indem sie sterische Wechselwirkungen bestimmt, entscheidend für die Ausbildung einer Vielzahl komplexer Strukturen und für Selbstorganisationsphänomene in Flüssigkristallen. Mesophasen mit Mesogenen von nicht zylindrischer Form weisen bemerkenswerte komplexe Strukturen auf und zeigen in einigen Phasen eine sehr schnelle elektrooptische Antwort.

Beispielsweise führen verstärkte polare und smektische Fluktuationen, getrieben durch die sterischen Wechselwirkungen gekrümmter Mesogene, zur Bildung von Clusterphasen mit hoher Suszeptibilität für externe Felder. Solche responsiven Materialien bergen ein großes Potential für Anwendungen. Die Form von Mesogenen kann durch externe Stimuli kontrolliert werden, zum Beispiel durch Licht im Falle photoisomerisierbarer Moleküle.

Dieser Antrag geht von einer weitreichenden Kollaboration zwischen unserer Gruppe in Magdeburg und der Abteilung für Organische Chemie an der Martin-Luther-Universität Halle (C. Tschierske und M. Alaasar) aus. Das primäre Ziel ist die Untersuchung der Effekte durch Licht manipulierbarer Nanostrukturen auf die mikro- und makroskopischen Eigenschaften von Flüssigkristallen im Bulk und in beschränkter Geometrie.

Wir beabsichtigen, komplexe flüssigkristalline Systeme zu untersuchen, wie photoschaltbare Mesogene, die nematische, twist-bend-nematische oder bent-core-smektische Phasen mit helikal-konischer Nanostruktur ausbilden, sowie die kürzlich entdeckte polare nematische Phase.

Die zentralen Fragen sind, wie die Nanostruktur der Mesophase und Photostimulation die Bulk- und Oberflächeneigenschaften von Flüssigkristallen und das Verhalten von Kolloiden, die auf solchen Materialien basieren, beeinflussen. Wir werden das Verhalten von Flüssigkristallen im Bulk, in Tropfen und auch in Filamenten erforschen.

Das geplante Forschungsprojekt soll in fünf Phasen durchgeführt werden. Beginnend mit der Charakterisierung der Bulkeigenschaften wird sich der Schwerpunkt auf Studien zu lichtgetriebenen anchoring-Übergängen in photoschaltbaren Mesogenen und in Systemen mit photoschaltbarer Oberfläche verlagern.
Wir werden das gewonnene Wissen nutzen, um das Verhalten fester Inklusionen in einer flüssigkristallinen Matrix zu verstehen. Die translatorischen und rotatorischen Bewegungen kolloidaler Partikel werden in nematischen, twist-bend-nematischen und ferroelektrischen nematischen Phasen untersucht werden. In der letzten Phase des Projektes werden wir die Dynamik von Flüssigkristallfilamenten mit photoisomerisierbaren Mesogenen erforschen. Als Ergebnis dieser Forschungsarbeit werden wir die Mechanismen des Zusammenspiels von lichtinduzierten Formveränderungen von Mesogenen, Strukturbildungsphänomenen und den Eigenschaften neuartiger flüssigkristalliner Systeme aufklären.

Structure and dynamics of nematic phases with strong smectic fluctuations formed by bent-core mesogens

Mesophases with mesogens of non-cylindrical shapes exhibit remarkable complex structures and, in some phases, a very fast electro-optical response. Enhanced polar and smectic fluctuations, driven by steric interactions of bent mesogens, for instance, result in the formation of cluster phases with strong susceptibility to external fields. Such highly responsive materials have broad perspectives for applications. The shape of the mesogens can also be controlled by external stimuli such as light in photoisomerisable molecules. This proposal is based on the extensive collaboration between our group in Magdeburg and the Department of Organic Chemistry at Martin Luther University Halle (C. Tschierske and M. Alaasar). The proposal's primary aim is to investigate the effects of the photo-tuneable nanostructures on liquid crystals' micro and macroscopical properties in bulk and restricted geometry. We propose to study complex liquid crystalline systems such as photoswitchable mesogens forming nematic, twist-bend nematic phase, bent-core smectic phases with the heliconical nanostructure, and the newly discovered polar nematic phase. The central questions are how the nanostructure of the mesophase and photo-stimulation affect the bulk and surface properties of liquid crystals, how it affects the behaviour of colloids based on such materials. We will study the behaviour of liquid crystals in bulk, in droplets and filaments as well. The proposed research will be conducted in five stages, starting with the characterisation of the bulk properties and shifting the focus to the studies of light-driven anchoring transitions in pure photoswitchable compounds and systems with photoswitchable surfaces only. We will employ the acquired knowledge for understanding the behaviour of the solid inclusions in an LC matrix. The translational and rotational motions of colloidal particles will be investigated in the nematic, twist-bend nematic and ferroelectric nematic phases. At the final stage, we will explore the dynamics of liquid crystal filaments with photoismerisable mesogens. The output of this research will elucidate the mechanisms underlying the interplay between the light-driven mesogenic shape changes, structure formation and the properties of the novel liquid crystalline systems.