Photoaktive Flüssigkristallnanodispersionen

• Antragsteller: Professor Dr. Heinz-Siegfried Kitzerow, seit 7/2020
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 299309634

Opto-optische Modulatoren funktionieren im Gegensatz zu elektro-optischen Modulatoren ohne externe Stromversorgung: Wenn Licht eingesetzt werden kann, um den (effektiven) Brechungsindex eines Mediums gezielt zu verändern, kann auf elektrische Ansteuerung verzichtet werden. Deswegen sind abstimmbare doppelbrechende Medien mit niedrigen Schwellwerten für opto-optisches Schalten eine Schlüsseltechnologie im Bereich der Photonik. Die Vielfalt der potentiellen Anwendungsbereiche reicht von optisch ansteuerbaren Polarisationsmodulatoren bis hin zu selbst-tönenden Fensterscheiben oder holographischen Projektionsflächen. Flüssigkristalle sind wegen ihrer doppelbrechenden optischen Eigenschaften und aufgrund ihres elektro-optischen Schaltverhaltens als elektrisch abstimmbare optische Medien ideal. Flüssigkristalle oder Flüssigkristallhybride mit niedrigen Schwellwerten für optisch induzierte Schalteffekte sind aber bisher nicht bekannt. Deswegen stehen neuartige Methoden zur Herstellung von Flüssigkristallen mit eingebetteten, nanopartikelbeladenen Polymernetzwerken im Fokus dieses Forschungsprojektes. Es zielt darauf ab, Nanopartikel mit kovalent an ihrer Oberfläche verankerten Photovernetzern in die Polymerketten von Polymer-Netzwerk-Flüssigkristallen einzubetten, die etwa 10% Polymer (und 90% Flüssigkristall) enthalten. Die kleinen Keramik-Partikel sind gleichmäßig verteilt in einer Flüssigkristallschicht eingebettet und werden von den Polymerketten an Ort und Stelle fixiert. In photoaktiven anorganischen Keramiken, die (wie z.B. eisendotiertes Lithiumniobat) den anomalen photovoltaischen Effekt zeigen, werden bei Lichteinfall elektrische Felder mit hoher Feldstärke generiert. Im Vergleich zu Flüssigkristallen ist die dabei erzielbare optische Antwort (Änderung des Brechungsindex) aber sehr klein. Wenn es gelingt, maßgeschneiderte Keramikpartikel homogen verteilt in Flüssigkristallschichten einzubetten, sind die bei Lichteinfall an der Oberfläche dieser Partikeln induzierten elektrischen Felder sehr gut geeignet, das elektro-optische Schaltverhalten der Flüssigkristalle anzuregen. So können die lichtsensitiven Eigenschaften anorganischer Materialien an die elektro-optischen Eigenschaften von Flüssigkristallen gekoppelt werden. Es ist zu erwarten, dass die Flüssigkristalle in diesen Hybriden bei Lichteinfall die optische Antwort der Nanopartikel multiplizieren - dass also schon bei vergleichsweise kleinen Lichtintensitäten höhere Schalteffekte erzielt werden können, als in den Ausgangsmaterialen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Dr. Alexander Lorenz, bis 6/2020