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Selbstorganisation: Der Kristall, der sich aus dem Chaos formt

Selbst organisierter Flüssigkristall
Nanotechnologen haben einen Traum: mikroskopisch kleine und dennoch hochkomplexe Maschinchen, deren Teile aus einzelnen Molekülen bestehen. Das könnten zum Beispiel Nanoroboter sein, die durch Adern zielgenau zu Krankheitsherden schwimmen und dort Wirkstoffe abgeben. Um derart komplexe Strukturen mit atomarer Genauigkeit herzustellen, wollen Forscher die Selbstorganisation von Molekülen nutzen, so dass sich diese ohne Steuerung von außen auf reproduzierbare Weise zu einer detailreichen Form zusammenfinden. Diesem Ziel sind britische und deutsche Wissenschaftler nun einen Schritt näher gekommen: Sie haben aus einfachen molekularen Bausteinen Flüssigkristalle besonders hoher Komplexität hergestellt.

Selbst organisierter Flüssigkristall | Aus einer Flüssigkeit einfacher Moleküle entsteht bei Abkühlung ein komplexer Flüssigkristall – wie in dieser künstlerischen Darstellung gezeigt.
Xiangbing Zeng von der University of Sheffield und seine Kollegen verwendeten Moleküle, die einem Pluszeichen ähneln: Vom stäbchenförmigen Grundkörper zweigen in der Mitte zwei Seitengruppen wie Arme ab. Beim Abkühlen einer Flüssigkeit aus diesen Molekülen verbinden sich die Grundkörper an ihren Enden und bilden identische zweidimensionale Gerüste aus Drei-, Vier- und Sechsecken. Diese lagern sich zu einer Art Schlauch zusammen, so dass ein dreidimensionaler Flüssigkristall entsteht.

In die Vielecke hinein ragen die Seitengruppen, die jedoch unverträglich miteinander sind und sich ebenso schwer mischen lassen wie Wasser und Öl. Daher streben die Seitenmoleküle danach, sich so weit wie möglich aus dem Weg zu gehen. Es gelingt ihnen jedoch nicht, sich perfekt zu entmischen. Neben Vielecken, in die nur die eine oder nur die andere Seitenkette hineinragt, gibt es auch solche, die Mischungen enthalten. Je nachdem, wie diese zusammengesetzt sind, kann man ihnen Farben zuordnen.

Mit Hilfe von Röntgenbeugung haben die Forscher gezeigt, dass der Flüssigkristall fünf verschiedene Farben aufwies. Durch eine einfache Modifikation der Grundbausteine – bei früheren, ähnlichen Versuchen hatten die Moleküle nur eine Seitenkette – konnten die Forscher somit einen erheblichen Gewinn an Komplexität erreichen. (cm)

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