Elektrischer Anstoß zur Selbstorganisation

Neue Materialien mit nichtlinearen optischen Eigenschaften

Fensterscheiben und Brillengläser, die sich bei zunehmender Helligkeit dunkler färben, sind besonders im Sommer eine feine Sache. Optische Eigenschaften, die sich mit der Lichtstärke verändern, so genannte nichtlineare optische Eigenschaften, sind ihr Geheimnis. Auch als optoelektronische Bauteile sind derartige Materialien von Interesse. Voraussetzung für die besonderen optischen Eigenschaften ist eine sehr regelmäßigen Mikrostruktur. Oft ist es nur mit aufwändigen Techniken möglich, den Stoffen diese Strukturen aufzuzwingen. Interessant sind daher Materialien, die sich per Selbstorganisation zu solchen Mikrostrukturen anordnen.

Vielversprechend sind polymere organisch-anorganische Hybridmaterialien, die ein Team um Robert Corriu aus Montpellier synthetisiert hat. Eines der aktuellen Testobjekte in den französischen Labors besteht aus stäbchenförmigen organischen Einheiten, die über anorganische Enden aus Silicium und Sauerstoff hochgradig quervernetzt sind. Aus der anfänglichen Lösung der Vorläufer-Moleküle wird nach etwa drei Tagen ein festes Gel. Die Chemiker fügten der Reaktionsmischung außerdem eine Chromverbindung hinzu, die sich an die organischen “Stäbchen” anlagert. Damit sensibilisieren sie die “Stäbchen” für ein elektrisches Feld: Legt man während der Vernetzung eine elektrische Spannung an die Reaktionskammer, entsteht bereits nach etwa 24 Stunden ein festes Gel. Das Besondere: In diesem Gel liegen die einzelnen “Stäbchen” ausgerichtet vor. Auch nach Abschalten der Spannung bleibt diese Ordnung dauerhaft erhalten, wie die Wissenschaftler an Gelen feststellten, die sie zwei Jahre gelagert hatten. Von der neuen Materialklasse erhofft sich Corriu interessante nichtlineare optische Eigenschaften.

Frappierend war eine weitere Beobachtung: Wird nur an eine Hälfte der Reaktionskammer eine Spannung angelegt, ist nach einem Tag auch nur in dieser Hälfte ein geordnetes Gel entstanden. Zu diesem Zeitpunkt wird die Spannung abgeschaltet. Nach zwei weiteren Tagen findet sich in der anderen Hälfte der Kammer ein Gel, das trotzdem dieselbe geordnete Mikrostruktur aufweist. “Nach der Vernetzung altert das Gel unter Umstrukturierung. Erst in diesem Schritt entsteht die Ordnung,” erklärt Corriu. “Im Laufe der Vernetzungsreaktion entstehen durch das elektrische Feld aber bereits geordnete Mikrodomänen. Wenn sie aus der einen in die andere Hälfte der Reaktionskammer wandern, dienen sie dort als Keime für den Selbstorganisationsprozess. Für das Weiterschreiten der Selbstorganisation ist dagegen kein elektrisches Feld mehr notwendig.”