Die Geschichte zweier Phasen

  • 16. August 2013

1888 entdeckte der Botaniker Friedrich Reinitzer die Flüssigkristalle, die sich erst viele Jahrzehnte später erklären und nutzen ließen.

Heutzutage fordert die Politik immer wieder, dass der Weg von der wissenschaftlichen Erkenntnis zum Produkt kürzer werden muss. Im Falle der vor 125 Jahren entdeckten Flüssigkristalle dauerte dies immerhin stolze 85 Jahre. Den ersten marktreifen Taschenrechner mit Flüssigkristall-Display präsentierte Sharp im Jahr 1973.

Flüssigkristalle sind anisotrope Fluide, die thermodynamisch zwischen dreidimensionalen Kristallen und isotropen Flüssigkeiten angesiedelt sind. Ihre Anisotropie verdanken sie stäbchenförmigen (seltener scheibchenförmigen) Molekülen, die einen relativ starren, polarisierbaren Mittelteil und flexible Endgruppen besitzen. In Flüssigkristallen bildet sich selbstorganisiert eine unterschiedlich stark ausgeprägte Teilordnung aus, die zu einer Anisotropie der physikalischen Eigenschaften führt.

Die Entdeckung der neuen flüssigkristallinen Phase gelang dem österreichischen Botaniker Friedrich Reinitzer (1857 – 1927). Dieser untersuchte Anfang 1888 Derivate von Cholesteryl, das er aus Karotten gewonnen hatte, und entdeckte dabei Cholesterylbenzoat, das sich bei Erhitzung von seiner kristallinen Form zunächst in eine milchige Flüssigkeit verwandelte. Bei noch höheren Temperaturen wurde die Flüssigkeit transparent. Beim Abkühlen beobachtete Reinitzer zudem eine kurzzeitige blaue und violette Farberscheinung, bevor die Flüssigkeit wieder trübe wurde.

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Abb.: Die charakteristischen Eigenschaften von Flüssgkristallen liegen zwischen denen von geordneten Kristallen und unstruktierten Flüssigkeiten. (Bild: Merck)

Reinitzer konnte sich keinen Reim darauf machen und wandte sich an den Physiker Otto Lehmann in Karlsruhe, einen Experten für Kristall- und Polarisationsmikroskopie, bevor er seine Beobachtungen in Heft 9 der „Monatshefte der Chemie“ veröffentlichte. Lehmann erkannte, dass die erste „flüssige“ Phase des Cholesterylbenzoat optische Eigenschaften wie Doppelbrechung zeigte, die man sonst nur von Kristallen kannte, und prägte den Begriff „Flüssigkristall“. Damit entfachte er eine langwährende Grundsatzdebatte unter seinen Kollegen. „Weiche Kristalle gibt es zweifellos, meinetwegen mag es auch fließende geben, nur flüssige nicht“, gab der Chemiker Gustav Tammann 1905 bei der jährlichen Tagung der Bunsen-Gesellschaft zu Protokoll. Die wechselvolle Geschichte der Flüssigkristalle von der Entdeckung bis zum gefragten Hightech-Material lässt sich in einem frei zugänglichen Artikel in einem Sonderheft der Zeitschrift „Angewandte Chemie“ nachlesen (siehe Link unten).

Nicht nur die Marktreife, sondern auch eine vollständige Theorie der Flüssigkristalle ließ lange auf sich warten. Dies gelang erst 1971 dem französischen Physiker Pierre-Gilles de Gennes, auf Basis der Landau-Theorie der Phasenübergänge. De Gennes führte einen Ordnungsparameter-Tensor ein, mit dem sich die freie Energie von Flüssigkristallen beschreiben und die Phasenübergänge erklären ließ. Unter anderem dafür erhielt er zwanzig Jahre später den Physik-Nobelpreis.

Mittlerweile sind Flüssigkristalle nicht zuletzt dank der LCD-Technik ein milliardenschwerer Markt. Weltmarkführer bei der Produktion von Flüssigkristallen ist der Darmstädter Chemiekonzern Merck, der mehr als die Hälfte der Flüssigkristall-Industrie beliefert. Aus dieser Perspektive mutet es heutzutage erstaunlich an, dass eines der ersten Patente für Flüssigkristall-Displays, das 1971 von Martin Schadt und Wolfgang Helfrich angemeldet wurde, vom Deutschen Patentamt wegen „mangelnder Erfindungshöhe“ abgelehnt wurde.

Flüssigkristalle dürften auch weiterhin eine zentrale Bedeutung für die Flachbildschirme behalten. Doch sie haben in den letzten Jahren Konkurrenz durch organische Leuchtdioden (OLEDs) bekommen, die nicht den Nachteil großer Lichtverluste haben. Der Weg von der ersten wegweisenden Entdeckung bis zum marktreifen Produkt dauerte bei den OLEDs übrigens weniger als 85 Jahre. 1960 wurde erstmals Elektrolumineszenz, also die Emission von Licht aufgrund eines elektrischen Stroms, in organischen Einkristallen beobachtet. Der erste OLED-Fernseher kam bereits 47 Jahre später auf den Markt.

Alexander Pawlak

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