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Liquid crystallinity and alignment of ionic self-assembly complexes

Flüssigkristallinität und Alignment ionischer Self-Assembly Komplexe

  • In this work the first observation of new type of liquid crystals is presented. This is ionic self-assembly (ISA) liquid crystals formed by introduction of oppositely charged ions between different low molecular tectonic units. As practically all conventional liquid crystals consist of rigid core and alkyl chains the attention is focused to the simplest case where oppositely charged ions are placed between a rigid core and alkyl tails. The aim of this work is to investigate and understand liquid crystalline and alignment properties of these materials. It was found that ionic interactions within complexes play the main role. Presence of these interactions restricts transition to isotropic phase. In addition, these interactions hold the system (like network) allowing crystallization into a single domain from aligned LC state. Alignment of these simple ISA complexes was spontaneous on a glass substrate. In order to show potentials for application perylenediimide and azobenzene containing ISA complexes have been investigated forIn this work the first observation of new type of liquid crystals is presented. This is ionic self-assembly (ISA) liquid crystals formed by introduction of oppositely charged ions between different low molecular tectonic units. As practically all conventional liquid crystals consist of rigid core and alkyl chains the attention is focused to the simplest case where oppositely charged ions are placed between a rigid core and alkyl tails. The aim of this work is to investigate and understand liquid crystalline and alignment properties of these materials. It was found that ionic interactions within complexes play the main role. Presence of these interactions restricts transition to isotropic phase. In addition, these interactions hold the system (like network) allowing crystallization into a single domain from aligned LC state. Alignment of these simple ISA complexes was spontaneous on a glass substrate. In order to show potentials for application perylenediimide and azobenzene containing ISA complexes have been investigated for correlations between phase behavior and their alignment properties. The best results of macroscopic alignment of perylenediimide-based ISA complexes have been obtained by zone-casting method. In the aligned films the columns of the complex align perpendicular to the phase-transition front. The obtained anisotropy (DR = 18) is thermally stable. The investigated photosensitive (azobenzene-based) ISA complexes show formation of columnar LC phases. It was demonstrated that photo alignment of such complexes was very effective (DR = 50 has been obtained). It was shown that photo-reorientation in the photosensitive ISA complexes is cooperative process. The size of domains has direct influence on efficiency of the photo-reorientation process. In the case of small domains the photo-alignment is the most effective. Under irradiation with linearly polarized light domains reorient in the plane of the film leading to macroscopic alignment of columns parallel to the light polarization and joining of small domains into big ones. Finally, the additional distinguishable properties of the ISA liquid crystalline complexes should be noted: (I) the complexes do not solve in water but readily solve in organic solvents; (II) the complexes have good film-forming properties when cast or spin-coated from organic solvent; (III) alignment of the complexes depends on their structure and secondary interactions between tectonic units.show moreshow less
  • In dieser Arbeit wird erstmalig eine neue Klasse von Flüssigkristallen auf Basis ionischer Self-Assembly (ISA) Komplexe beschrieben. Während herkömmliche thermotrope Flüssigkristalle aus steifen, formanisotropen Molekülfragmenten und kovalent gebundenen Flügelgruppen (meist Alkylketten) bestehen, entstehen diese neuartigen supramolekularen Verbindungen durch die Komplexierung gegensätzlich geladener ionischer tektonischer Einheiten und Tenside. Ziel der Arbeit war es, die flüssigkristallinen und insbesondere die Orientierungseigenschaften dieser neuen Materialien am Beispiel repräsentativer Modellverbindungen zu untersuchen. Es wurde nachgewiesen, dass die ionischen Wechselwirkungen die thermischen Eigenschaften der Verbindungen entscheidend beeinflussen. So behindern sie den Übergang in die isotrope Phase. Das System wird quasi durch ein Netzwerk ionischer Wechselwirkungen stabilisiert. Makroskopisch orientierte LC Zustände sind offensichtlich Ausgangspunkt für hochgeordnete flüssigkristalline Filme oder gar für die KristallisationIn dieser Arbeit wird erstmalig eine neue Klasse von Flüssigkristallen auf Basis ionischer Self-Assembly (ISA) Komplexe beschrieben. Während herkömmliche thermotrope Flüssigkristalle aus steifen, formanisotropen Molekülfragmenten und kovalent gebundenen Flügelgruppen (meist Alkylketten) bestehen, entstehen diese neuartigen supramolekularen Verbindungen durch die Komplexierung gegensätzlich geladener ionischer tektonischer Einheiten und Tenside. Ziel der Arbeit war es, die flüssigkristallinen und insbesondere die Orientierungseigenschaften dieser neuen Materialien am Beispiel repräsentativer Modellverbindungen zu untersuchen. Es wurde nachgewiesen, dass die ionischen Wechselwirkungen die thermischen Eigenschaften der Verbindungen entscheidend beeinflussen. So behindern sie den Übergang in die isotrope Phase. Das System wird quasi durch ein Netzwerk ionischer Wechselwirkungen stabilisiert. Makroskopisch orientierte LC Zustände sind offensichtlich Ausgangspunkt für hochgeordnete flüssigkristalline Filme oder gar für die Kristallisation von Monodomänen. In speziellen Fällen erfolgt eine spontane Ausbildung von ISA Monodomänen bereits auf Glassubstraten. Mit Hinblick auf potentielle Anwendungen wurden Perylendiimid und Azobenzen enthaltene ISA Komplexe insbesondere hinsichtlich von Zusammenhängen zwischen Phasenverhalten und Orientierungseigenschaften untersucht. Die zone-casting Methode erwies sich als besonders geeignet für die makroskopische Orientierung perylendiimidbasierter ISA Komplexe. In orientierten Filmen richten sich die Kolumnen des Komplexes senkrecht zur Phasenübergangsfront aus. Das dabei erreichte dichroitische Verhältnis (DR=18) ist thermisch stabil. Die untersuchten Azobenzen basierten ISA Komplexe weisen kolumnare LC Phasen auf. Durch Photoalignment mittels linear polarisierten Lichts werden Komplexe sehr effektiv senkrecht bzw. die Columnen der Komplexe parallel zur Polarisation des Lichtes orientiert, wobei sehr hohe DR bis zu 50 erreicht wurden. Weiterhin wurde gezeigt, dass die Photo-Reorientierung photosensitiver ISA Komplexe kooperativ erfolgt. Die Größe der Domänen hat dabei einen entscheidenden Einfluß auf die Effektivität des Photo-Reorientierungsprozesses. So ist der Prozess im Fall kleiner Domänen effektiver. Durch die Bestrahlung mit linear polarisiertem Licht werden die Domänen in der Filmebene reorientiert, was zu einer makroskopischen Ausrichtung der Kolumnen parallel zur Lichtpolarisation und zu einer Vereinigung kleiner Domänen führt.show moreshow less

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Metadaten
Author:Yuriy Zakrevskyy
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus-10048
Advisor:Joachim Stumpe
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2006
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2006/10/18
Release Date:2006/10/27
Tag:Alignment; Komplex; ionischer Self-Assembly
Alignment; Complex; Ionic Self-Assembly; Liquid crystal
GND Keyword:Flüssigkristall
RVK - Regensburg Classification:UQ 1080
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik und Astronomie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik