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Molekulares Bild der Aggregatzustände

Spezielle Phasen

Die Mehrzahl der bekannten Substanzen zeigt am Schmelzpunkt ein gleiches Verhalten. Der Schwerpunkt der Teilchen ist nicht mehr am Ort fixiert wie im Kristall (Translationsbewegung) und die Teilchen können mehr oder weniger frei rotieren. Schmelzen und Gefrieren gehen also üblicherweise einher mit der Freigabe bzw. mit dem Einfrieren der Translation und Rotation bei der Schmelztemperatur. Es gibt jedoch Ausnahmen. Sie werden in diesem Abschnitt vorgestellt.

Ionenleitung im Festkörper

Ionenkristalle sind im festen Zustand gewöhnlich Isolatoren: Die Ionen sind an ihren Gitterplätzen fixiert, ein Ladungstransport ist nicht möglich. Erst im geschmolzenen Zustand sind die Ionen beweglich, die flüssigen Salze sind elektrische Leiter.

Es existieren jedoch Stoffe, in denen sich auch im Kristall Ionen von den Gitterplätzen fortbewegen können. Ein Beispiel ist Silberiodid (AgI): Im festen Zustand wandern die Silberionen bereits bei 150 bis 200°C durch den Kristall, während die Iodid-Anionen im Ionengitter fixiert bleiben. Das Kationengitter schmilzt also bei tieferer Temperatur als das Anionengitter. Man spricht hier von einem festen Leiter.

Abb.1
Schematische Darstellung eines festen Leiters bei verschiedenen Temperaturen

Links: tiefe Temperatur - alle Ionen am Ort fixiert (Ionengitter), keine Leitfähigkeit Mitte: mittlere Temperatur - Mobilität einer Ionensorte (schwarz/weiß), elektrische Leitfähigkeit Rechts: hohe Temperatur - Salzschmelze, Leitfähigkeit durch beide Ionensorten

Plastische Kristalle

Atome besitzen kein merkliches Trägheitsmoment, da die gesamte Masse im Kern konzentriert ist. Ihre Rotationsenergie liegt daher bei null. Moleküle besitzen dagegen in der gasförmigen und flüssigen Phase bei nicht zu tiefen Temperaturen immer Rotationsenergie, nicht aber im Festkörper. Bei annähernd kugelförmigen Molekülen wie 2,2-Dimethylpropan (Neopentan) oder Adamantan kann allerdings die Rotation schon im Festkörper unterhalb des eigentlichen Schmelzpunktes erfolgen. Bei solchen Systemen spricht man von plastischen Kristallen.

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Abb.2
Das Molekül 2,2-Dimethylpropan ist annähernd kugelförmig
Abb.3
Bewegung der annähernd kugelförmigen Moleküle eines plastischen Kristalls bei Temperaturerhöhung

In plastischen Kristallen ist eine Rotation der fast kugelförmigen Moleküle bereits unterhalb der Schmelztemperatur des Translationsgitters möglich. Mit steigender Temperatur wird aus dem Kristall (Orienterungs- und Positionsfernordnung) ein plastischer Kristall (Positionsfernordnung) und schließlich eine Flüssigkeit (keine Fernordnung).

Flüssige Kristalle

Komplementär zu den plastischen Kristallen sind Flüssigkristalle. Diese bestehen aus Molekülen, deren Gestalt stark von der Kugelgestalt abweicht (Stäbe oder Scheiben).

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Abb.4
Das Molekül 4'-Pentyl-biphenyl-4-carbonitril ist stabförmig

4'-Pentyl-biphenyl-4-carbonitril ist ein typisches Beispiel für ein stäbchenförmiges Molekül, das eine flüssigkristalline Phase bildet.

Hier bleibt beim Schmelzen zunächst die Orientierungsfernordnung erhalten. Die physikalischen Eigenschaften einer solchen Phase zeigen eine Richtungsabhängigkeit ähnlich jener der Kristalle. Im optischen Bereich macht sich diese Anisotropie eines Flüssigkristalls als Trübheit bemerkbar. Erst nach weiterem Erwärmen wird bei einer bestimmten Temperatur auch die freie Rotation um alle drei Raumachsen möglich, die Anisotropie der Eigenschaften verschwindet. Man spricht vom Klärpunkt, da die Phase nun durchsichtig ist wie bei Flüssigkeiten üblich.

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Abb.5
Bewegung der stabförmigen Moleküle eines Flüssigkristalls bei Temperaturerhöhung

Beim Erwärmen einer Substanz mit flüssigkristallinen Phasen werden Rotation und Translation nicht gleichzeitig, sondern bei verschiedenen Temperaturen möglich. Mit steigender Temperatur wird aus dem Kristall (Orientierungs- und Positionsfernordnung) erst ein smektischer (Orientierungs- und eindimensionale Positionsfernordnung), dann ein nematischer (Orientierungsfernordnung) Flüssigkristall und schließlich eine (isotrope) Flüssigkeit (ohne Fernordnung, nur Nahordnung).

Es existieren eine Reihe verschiedener Flüssigkristallphasen, bei denen z. T. auch die Translation in einer oder zwei Richtungen gehemmt ist. Die Vereinigung der Eigenschaften fluid und anisotrop führte zu wichtigen technischen Anwendungen, wie den LCD-Geräten („liquid crystal display”).

Literatur

Eidenschink, R. (1984): Flüssige Kristalle. In: Chemie in unserer Zeit, 18. 5 , 168-176
Finkenzeller, U. (August 1990): Flüssigkristalle für optische Displays. In: Spektrum der Wissenschaft.
Kopitzke, J.; Wendorff, J. (2000): Diskotische Flüssigkristalle: Materialien für die Optoelektronik. In: Chemie in unserer Zeit, 34. 1 , 4-16
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