Lyotrope flüssigkristalline Gele: Struktur, Rheologie und Antwortverhalten

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Frank Gießelmann; Professorin Dr. Cosima Stubenrauch
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 289272413

In der ersten Antragsphase ist es uns gelungen, lyotrope flüssigkristalline (LLC) Gele mit nematischer, lamellarer und hexagonaler Struktur herzustellen. Im Fokus des Folgeprojekts sollen daher die Eigenschaften und mögliche Anwendungen dieser neuen, wasser-basierten und stimuli-responsiven Materialien stehen. LLC Gele sind die Gegenstücke zu thermotropen flüssigkristallinen Gelen und Elastomeren. Letztere sind derzeit die Arbeitspferde in den schnell wachsenden Gebieten „Soft-Robotik“ und „biomimetische Aktuatoren“. Im Vergleich zu thermotropen flüssigkristallinen Gelen sind LLC Gele billig herzustellen und mit Wasser verträglich – es ist daher zu erwarten, dass diese wasser-basierten Materialien auf ganz andere chemische und biologische Stimuli reagieren als ihre thermotropen Gegenstücke. Wir sehen vor allem in der Schaltbarkeit durch bzw. der Antwort auf externe Stimuli ein riesiges Potential, weshalb wir die zweite Projektphase dem Studium des stimuli-responsiven Verhaltens widmen wollen. Um dieses übergeordnete Ziel zu erreichen, müssen jedoch zwei Voraussetzungen erfüllt sein:(1) die Verfügbarkeit von (hauptsächlich) nematischen LLC Gelen mit maßgeschneiderten thermischen, strukturellen und rheologischen Eigenschaften und (2) die erfolgreiche Herstellung orientierter LLC Gele mit einer wohldefinierten, makroskopischen und anisotropen Direktorkonfiguration. Die zentralen wissenschaftlichen Fragen, die wir im Folgeprojekt bearbeiten wollen, sind:(a) Wie lassen sich (nematische) LLC Gelen mit maßgeschneiderten thermischen, strukturellen und rheologischen Eigenschaften herstellen? Wie beeinflusst die Zusammensetzung des Flüssigkristalls (Tensid, Cotensid, Wasser) bzw. die Gelatorkonzentration (i) den Klärpunkt, (ii) die Sol-Gel Übergangstemperatur, (iii) den Ordnungsparameter und (iv) die rheologischen Eigenschaften der LLC Gele?(b) Wie können (nematische) LLC Gele orientiert werden, so dass sie eine wohldefinierte, makroskopische und anisotrope Direktorkonfiguration besitzen? Möglichkeiten sind eine Orientierung im magnetischen Feld oder durch Scherung sowie eine Oberflächenorien-tierung.(c) Wie quellen orientierte LLC Gele in Wasser, in wässerigen Lösungen oder in anderen mit Wasser mischbaren Lösungsmitteln wie z.B. Alkoholen? Wie beeinflusst die Aufnahme des Lösungsmittels das Phasenverhalten? Ist die mit der Quellung verbundene Formänderung anisotrop?(d) Wie antworten orientierte LLC Gele auf eine Temperaturänderung, vor allem wenn diese zu einem Phasenübergang führt? In welchem Ausmaß ist die mit dem Phasenübergang verbundene Formänderung anisotrop und reversible? Wie schnell ist die Antwort?Zusammen mit den Ergebnissen der ersten Projektphase werden die Antworten auf die gestellten Fragen zu einem kohärenten Bild über Herstellung, Struktur und Anwendung lyotroper flüssigkristalliner Gele führen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen