Synthetischer molekularer Schalter ermöglicht „Malen“ mit natürlichem Licht

Flüssigkristalle existieren in einer eigenen Phase. Sie können wie Flüssigkeiten fließen, aber da ihre Moleküle einigermaßen geordnet angeordnet sind, können sie leicht so manipuliert werden, dass sie Licht reflektieren. Diese Flexibilität hat Flüssigkristalle zum bevorzugten Material für energieeffiziente Telefon-, Fernseh- und Computerbildschirme gemacht.

In einer neuen Studie in Naturchemiedeuten Forscher von Dartmouth und der Southern Methodist University auf andere Anwendungen für Flüssigkristalle hin, die eines Tages möglich sein könnten, alle mit natürlichem Licht betrieben. Dazu gehören Flüssigkristalllaser, Bildschirme, die sich leicht bedrucken und löschen lassen, und mikroskopisch kleine Etiketten, die auf Banknoten angebracht werden können, um Fälscher abzuschrecken.

Das Herzstück dieser fantastischen Geräte ist ein synthetischer molekularer Schalter, der Formänderungen in Flüssigkristallen auslösen kann, die es ihnen ermöglichen, verschiedene Farben zu reflektieren. Der Schalter wurde im Labor von Ivan Aprahamian, einem Chemieprofessor aus Dartmouth, entwickelt und besteht aus dem organischen Molekül Triptycen und einer Klasse von Verbindungen namens Hydrazonen, die mit einem Lichtimpuls ein- und ausgeschaltet werden können.

In der Studie zeigen Aprahamian und seine Kollegen, dass die Hydrazone so an Triptycen gebunden werden können, dass die Symmetrie des Moleküls gebrochen und es chiral wird. Chirale Moleküle gibt es in zwei spiegelbildlichen Formen, die wie unsere Hände nicht vollständig übereinander gelegt werden können.

Wenn chirales Triptycen mit einem Flüssigkristallmolekül interagiert, setzt es eine Kette von Ereignissen in Gang, die dazu führt, dass sich andere Flüssigkristallmoleküle anordnen und sich in verdrehten, DNA-ähnlichen Helices neu anordnen.

In helikaler Form reflektieren Flüssigkristalle Umgebungslicht mit unterschiedlichen Wellenlängen, basierend auf ihrer Ganghöhe oder dem Abstand der Spulen in ihrer helikalen Struktur. Durch Dehnen und Stauchen der Helix werden Farbveränderungen ausgelöst. In der Natur machen sich Chamäleons und Kopffüßer auch Strukturmerkmale zunutze, um sich sofort in ihre Umgebung einzufügen, ohne dass es zu Pigmentveränderungen auf ihrer Haut kommt.

„Indem wir die Steigung der helikalen Struktur erhöhen oder verringern, können wir die Farbe steuern, die sie reflektiert“, sagt Aprahamian. „Stellen Sie sich vor, Sie spielen ein Akkordeon. Anstatt das Instrument zu komprimieren und zu erweitern, um zu steuern, welchen Ton Sie hören, verwenden wir Licht, um die Tonhöhe und die Farbe, die Sie sehen, zu steuern.“

Als Beweis liefert die Studie anschauliche Reproduktionen von Edvard Munchs „Der Schrei“ und Van Goghs „Sternennacht“. Die Bilder wurden im Labor von Alexander Lippert an der SMU mit einem Mikroskop erstellt, das in einen Mini-Diaprojektor umgebaut wurde.

In einem Prozess, der an mehrfarbigen Siebdruck erinnert, verwendeten die Forscher den winzigen Projektor, um Licht durch eine Reihe von Schablonen auf einen provisorischen Bildschirm zu strahlen, der aus mit chiralem Triptycen dotierten Flüssigkristallen bestand. Neue Farben wurden nach und nach hinzugefügt, indem das Licht unterschiedlich lange auf den von der Schablone freigelassenen Teil des Bildschirms gerichtet wurde.

„Sobald das Muster aufgetragen ist, kann es tagelang dort bleiben“, sagt Lippert, Co-Autor der Studie und außerordentlicher Professor an der SMU. „Sie können es auch löschen und zu einer leeren Leinwand zurückkehren.“

Aprahamians Labor hat bereits Hydrazon-Schalter entwickelt, aber diese Version ist die erste, die nachweislich in der Lage ist, sichtbare Farben von einem Flüssigkristall zu reflektieren. Es ist auch das erste Mal, dass ein stabiles, langlebiges mehrfarbiges Bild auf eine Flüssigkristallanzeige projiziert wurde, wobei ein Dotierstoff verwendet wurde, der ein- und ausgeschaltet werden kann.

In früheren Experimenten versuchte Aprahamian, den schaltbaren Dotierstoff mit einem chiralen Molekül namens Isosorbid herzustellen. Obwohl Flüssigkristalle mit Isosorbid interagieren und eine helikale Struktur bilden, reflektieren sie kein sichtbares Licht. Auf einer Konferenz 2016 in Telluride schlug ein MIT-Chemieprofessor Aprahamian vor, Triptycen auszuprobieren.

Chirales Triptycen erwies sich aufgrund seiner effizienten Fähigkeit, chirale Informationen auf die Flüssigkristalle zu übertragen, als Durchbruch, sagt Aprahamian. Es sind relativ wenige Moleküle erforderlich, um eine große Anzahl von Flüssigkristallen in eine neue Konfiguration zu bringen und so ihre Eigenschaften zu verändern.

„Es ist als Sergeant- und Soldateneffekt bekannt“, sagt Aprahamian. „Einige chirale ‚Sergeant‘-Moleküle steuern die Eigenschaften einer großen Anzahl achiraler ‚Soldaten‘-Moleküle.“

Die Studie beschreibt detailliert, was auf molekularer Ebene passiert, was Forschern dabei helfen kann, Flüssigkristalle für neue Anwendungen weiter zu untersuchen.

„Wir können jetzt auf diesem Wissen aufbauen, um bessere Flüssigkristall-Dotierstoffe zu entwickeln“, sagt der Erstautor der Studie, Indu Bala, Assistenzprofessor am Indian Institute of Technology, Mandi, der als Postdoktorand in Dartmouth an dem Projekt arbeitete.