Flüssige Kristalle im virtuellen Physik-Labor

Flüssigkristall

Computersimulation einer Mischung aus Stäbchen und Plättchen in der "nematischen Flüssigkristall"-Phase. In der Ecke sieht man zwei Sphäroide, die die Ausrichtung der jeweiligen Spezies angeben.

© phmi.uni-meinz

Grund dafür ist ihr ungewöhnliches Verhalten an Grenzflächen. Professor Michael P. Allen von der University of Warwick in Großbritannien gilt als einer der Pioniere der Computer-Simulationen und hat mit seinen Arbeiten wesentlich dazu beigetragen, das Verhalten von Flüssigkristallen und ihre Grenzflächeneigenschaften zu verstehen.

Ausrichtung der Moleküle

Flüssigkristalle wurden bereits gegen Ende des 19. Jahrhunderts entdeckt und finden heute immer mehr wichtige Anwendungen. Eine der Grundlagen dafür ist die Ausrichtung der Moleküle im Flüssigkristall. Bei Flüssigkeiten aus stäbchen- oder scheibchenförmigen Molekülen sind beispielsweise die Achsen der Stäbchen alle weitgehend parallel ausgerichtet. Dadurch kann es zu einer Doppelbrechung des Lichts kommen, das den Flüssigkristall passiert. Die Ausrichtung der Achsen wiederum kann durch äußere elektrische Felder gesteuert werden, woraus sich die vielen Anwendungsmöglichkeiten ergeben.

Miniaturisierung elektronischer Bauelemente

Treffen die flüssigen Kristalle auf ein anderes Material, dann wird an dieser Grenzfläche die relativ einheitliche Ausrichtung der Moleküle gestört und ihre Steuerung erschwert. Gerade wegen der fortschreitenden Miniaturisierung elektronischer Bauelemente werden solche Grenzflächeneffekte und die dadurch bewirkten "Defekte" in der flüssigkristallinen Ordnung immer wichtiger. Sie sind aber von ihrer molekularen Grundlage her theoretisch nur unzureichend verstanden. "Dank Professor Allen und seinen Computer-Experimenten werden diese Effekte verständlich und nachvollziehbar", erläutert Binder. Im Computer kann ein virtuelles Modell aufgebaut werden aus tausenden oder noch viel mehr Molekülen, die untereinander und mit den Grenzflächen in Wechselwirkung stehen. Die thermischen Fluktuationen lassen sich ebenso simulieren wie die Reaktion des Modellsystems auf die Veränderung äußerer Felder, und die physikalischen Zusammenhänge können auf molekularer Grundlage analysiert und verstanden werden.

"Know-how" der Computersimulation

Solche Computer-Simulationen sind nicht nur in der Physik unverzichtbar geworden - sei es als Ergänzung analytischer Berechnungen oder bei der Interpretation von Experimenten an realen Systemen. Auch in zahlreichen anderen Wissenschaften und in der Technik geht es nicht mehr ohne. In der Automobilindustrie kommen beispielsweise auf einen realen Crashtest mindestens zehn auf dem Computer simulierte Tests.