Ferromagnetischer Flüssigkristall

  • 11. December 2013

1970 vorhergesagte ferromagnetische Ordnung in einem nematischen Flüssigkristall beobachtet.

Magnetische Flüssigkeiten wie zum Beispiel Ferrofluide zeigen ihre magnetische Ordnung normalerweise nur unter der Einwirkung eines äußeren Magnetfeldes. Bisher hatte man lediglich an suprafluidem Helium-3 und an flüssigen Legierungen Ferromagnetismus beobachtet. Doch jetzt haben Forscher um Martin Čopič am Jožef-Stefan-Institut in Ljubljana magnetische Flüssigkristalle hergestellt, die sich ferromagnetisch ordnen und Hysterese zeigen.

Die ferromagnetisch geordneten Dipole (rote Pfeile) der plättchenformigen Magnetpartikel (rote Balken) im nematischen Flüssigkristall

Abb.: Die ferromagnetisch geordneten Dipole (rote Pfeile) der plättchenformigen Magnetpartikel (rote Balken) im nematischen Flüssigkristall. Die ungerichteten blauen Linien zeigen die Orientierung der Stäbchenmoleküle des Nematen, die gerichteten orangefarbenen Linien sind Magnetfeldlinien. (Bild: A. Mertelj et al. / NPG)

Schon 1970 hatten Françoise Brochard und Pierre-Gilles de Gennes vorhergesagt, dass sich ein Kolloid aus magnetischen Nanopartikeln in einem nematischen Flüssigkristall unter bestimmten Bedingungen bei Zimmertemperatur ferromagnetisch ordnet. In der nematischen Phase sind die stäbchenförmigen Moleküle des Flüssigkristalls parallel ausgerichtet. Diese Vorzugsrichtung sollte den ebenfalls stäbchenförmigen Nanopartikel die ferromagnetische Ordnung erleichtern. Doch der Weg zum „Ferronematen“ war lang.

Welche Probleme dabei zu überwinden waren, sieht man u. a. an den Ferrofluiden. In diesen Suspensionen aus ferromagnetischen Nanoteilchen und einer Flüssigkeit wie Öl oder Wasser tritt keine ferromagnetische Ordnung auf, da die magnetischen Kräfte zwischen den Nanoteilchen zu schwach sind. Macht man sie wesentliche stärker, so ziehen sich die Teilchen an und verklumpen miteinander. Statt eines Ferrofluids hat man dann eine feste und ein flüssige Phase. Nur in einem äußeren Magnetfeld richten sich die Nanopartikel eines Ferrofluids aus und geben ihm dadurch seine ungewöhnlichen Eigenschaften.

Sind in einem nematischen Flüssigkristall die stäbchenförmigen Moleküle einheitlich ausgerichtet, so gibt es lokal eine Vorzugsrichtung, an der sich die magnetischen Nanoteilchen orientieren können. Allerdings haben sie dabei zwei gleichwertige Möglichkeiten sich auszurichten. Sollen sich die magnetischen Dipole der Nanoteilchen einheitlich ausrichten, so muss die Kraft zwischen ihnen hinreichend stark sein, damit sie die thermische Bewegung überwindet. Doch dann besteht wieder die Gefahr, dass die Partikel verklumpen.

Čopič und seine Kollegen haben einen Ausweg aus diesem Dilemma gefunden. Statt stäbchenförmiger Magnetpartikel lösten sie im Flüssigkristall nanometergroße Scheibchen aus Bariumhexaferrit auf, bei denen der magnetische Dipol senkrecht zur Scheibchenebene war. Dank einer speziellen Beschichtung der Partikel standen die Moleküle des nematischen Flüssigkristalls senkrecht zu den Scheibchen, sodass sich die magnetischen Dipole parallel zu den Molekülen orientierten.

Neben der gegenseitigen Anziehung der magnetischen Dipole wirkte auf die Partikel auch noch eine Quadrupol-Anziehungskraft, die durch die elastischen Eigenschaften des Nematen hervorgerufen wurde. Sie war am stärksten, wenn die Verbindungslinie zwischen zwei benachbarten Partikeln unter einem Winkel von 50 Grad gegen die Richtung der Moleküle geneigt war (s. Abb.). Durch diese versetzte Anordnung der Partikel wurde die Kraft zwischen ihren zwar etwas verringert, sie war aber groß genug, die Dipole einheitlich auszurichten. Bei Teilchendichten von 1013–1014 cm-3 und mit Pentylcyanobiphenyl als Flüssigkristall stellten die Forscher einen magnetischen Nematen her, der über Monate stabil gegen ein Verklumpen der Partikel war.

 Für eine hinreichend große Konzentration der Magnetpartikel zeigt der Ferronemat eine deutliche Hysterese

Abb.: Für eine hinreichend große Konzentration der Magnetpartikel zeigt der Ferronemat eine deutliche Hysterese – wie man es bei ferromagnetischer Ordnung erwartet. (Bild: A. Mertelj et al. / NPG)

Dass es sich dabei tatsächlich um einen Ferronematen handelte, zeigte die Forscher durch eine Reihe von Experimenten. Sie füllten den magnetischen Flüssigkristall bei 50 °C in eine Glasschale und brachten ihn in ein Magnetfeld von etwa 5 mT. Aufgrund seiner hohen Temperatur war der Flüssigkristall molekular ungeordnet und in seiner isotropen Phase. Doch dann kühlten ihn die Forscher schnell auf Zimmertemperatur ab, sodass er in die nematische Phase überging. Mit polarisiertem Licht analysierten sie die Ausrichtung der Moleküle. Dabei beobachteten sie, wie magnetische Domänen heranwuchsen, die durch Domänenwände getrennt waren.

Es gab zwei verschiedene Arten von Domänen, die den beiden Ausrichtungsmöglichkeiten der Magnetpartikeln entsprachen. Wurde die Stärke des äußeren Magnetfeldes erhöht, so verkleinerten sich die Domänen der einen Art und verschwanden schließlich, während sich die der anderen Art vergrößerten. Mit einem Magnetometer maßen die Forscher die Magnetisierung des Flüssigkristalls, wobei sie die Stärke und Richtung des Magnetfeldes veränderten. Dabei beobachteten sie, dass die Magnetisierung eine Hysterese zeigte, wie man sie von ferromagnetischen Kristallen her kennt. Der Flüssigkristall war also tatsächlich ferromagnetisch geordnet.

Da sich der Ferronemat schon durch sehr schwache Felder ummagnetisieren und molekular umordnen lässt, könnte er sich für magneto-optische Anwendungen eignen. Das Wechselspiel zwischen molekularer und magnetischer Ordnung macht den Ferronematen zu einem neuartigen multiferroischen Material. Die dafür entwickelten Theorien lassen sich jetzt experimentell überprüfen. Dabei könnte es wegen der Komplexität der auftretenden Wechselwirkungen zu mancher Überraschung kommen.

Rainer Scharf

CT

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