Die Ordnung macht´s – didaktische Erschließung der Flüssigkristalle

Sie sind seit über 125 Jahren bekannt [1], wir schauen täglich darauf und wissen doch meist nur wenig über sie: Flüssigkristalle. Das ist eine Substanzklasse, die von einer Laborkuriosität ausgehend seit mehreren Jahrzehnten als Bestandteil von Digitalanzeigen, Flachbild-Fernsehern und Handy-Displays Einzug in jeden Haushalt gehalten hat.
Wie können wir uns die Teilchen in einer Flüssigkristall-Probe vorstellen und wie müssen die Teilchen angeordnet sein, damit ein Pixel sichtbar wird? Wie lässt sich das komplexe Thema aufarbeiten, damit es bereits Kindern nahe gebracht werden kann?

In diesem Beitrag werden einfache Experimente zum Thema Flüssigkristalle und ein didaktisches Konzept zur Erschließung der Funktionsweise eines einfachen Flüssigkristall-Displays vorgestellt. Letzteres wurde von der Wuppertaler Chemiedidaktik im Rahmen eines Kooperationsprojekts mit der Firma Merck für den Türöffnertag, der alljährlich durch die Sendung mit der Maus ausgerufen wird, entwickelt und im Oktober 2014 erfolgreich umgesetzt [2]. Die didaktische Erschließung dieses Themas zielt auf Kinder zwischen 8 und 12 Jahren ab. Anhand einfacher Experimente können die Nachwuchsforscher Schritt für Schritt erschließen, wie ein einfaches LCD-Display funktioniert (Abb.1).

Abb.1 Experimentierstationen beim Türöffnertag

Zunächst gilt es, sich mit dem Begriff des Aggregatzustandes auseinander zu setzen und den flüssigkristallinen Zustand als „vierten Zustand der Materie" einzuführen. Dieser wurde als ein Zustand zwischen dem festen und dem flüssigen Aggregatzustand beschrieben. Über Substanzen in der flüssigkristallinen Phase wurden die Informationen gegeben, dass sie fließfähig und trübe sind, das Licht brechen und ihre Teilchen in einer gewissen Ordnung vorliegen und auf ein elektrisches Feld reagieren.

Damit steigt man anhand des ersten Experiments in die Arbeit mit Teilchenmodellen und in das Thema Ordnung von Teilchen in einer Probe ein, was zentral für das spätere Verständnis eines Displays ist. Im Experiment wurden die Kinder gebeten, Streichhölzer, die als Modelle für die Teilchen in einer flüssigkristallinen Probe verwendet werden können, auf einem Blatt Papier in eine gewisse Ordnung zu bringen und diese Ordnung zu erläutern. In einem zweiten Schritt sollten sie das Papier hin und her bewegen, wodurch die Ordnung zerstört wird und die Teilchen unregelmäßig verteilt sind. Der zweite Schritt simuliert das Aufheben der Ordnung in einer flüssigkristallinen Probe durch Erwärmen.

Im zweiten Experiment bekamen die Kinder die flüssigkristalline Substanz N-(4- Methoxybenzyliden)-4-butylanilin, MBBA, in einer zugeschmolzenen Glasampulle ausgehändigt.

<br />Abb.2 Synthese der Schiffschen Base MBBA

Die Synthese von MBBA durch Kelker im Jahr 1969 [3] gilt als Meilenstein in der Flüssigkristall-Forschung, da hiermit erstmals eine Substanz vorlag, die bei Raumtemperatur in der flüssig-kristallinen Phase vorliegt, was für die Anwendung in Displays notwendige Voraussetzung ist. MBBA gehört zur Gruppe der kalamitischen Flüssigkristalle, deren Molekülgestalt man als stäbchenförmig betrachten kann, was sich in der Modelldarstellung als Streichholz gut wiederfindet. Aus didaktischer Sicht ist MBBA eine interessante Substanz, da sie sogar mit schulischen Mitteln im Chemieunterricht der Oberstufe über die Kondensationsreaktion von 4-Methoxybenzaldehyd und Butylanilin selbst hergestellt (Abb.2) und für weitere Experimente verwendet werden kann [4].

Die Aufgabe der Kinder war es, nach einer Betrachtung der hellgelben trüben Substanzprobe diese mit einem Fön zu erwärmen bzw. eine zweite Ampulle in ein Eis-Salz-Kältebad zu stellen. Somit lassen sich die Phasenübergänge flüssigkristallin - flüssig (bei 47 °C) und flüssigkristallin-fest (bei 22°C) nachvollziehen. Es erfolgte die Einführung des neuen Begriffs Klärpunkt, der die Umwandlungstemperatur beim Phasenübergang von flüssigkristallin nach flüssig bezeichnet. Beim Erwärmen kommt es zum Aufklaren von MBBA, die erneute Eintrübung ist dann beim Abkühlen der Substanz unter den Klärpunkt nach Entfernen der Wärmequelle gut sichtbar (Abb.3).

<br />Abb.3 Glasampulle mit MBBA-Probe nach dem Erhitzen der Spitze der Ampulle

Im dritten Experiment befasst man sich mit den Themen Licht, Polarisation und Polarisatoren. Hier wurden die Kinder gebeten, das Licht einer Taschenlampe (mit Glühbirnchen!) zu betrachten und zunächst einen Polarisationsfilter auf die Taschenlampe zu halten. Im Folgenden sollte dann ein zweiter Polarisationsfilter mit einigen cm Abstand über den ersten Filter platziert und in der Ebene gedreht werden. Dabei kommt es je nach Ausrichtung der beiden Filter zueinander zur Auslöschung des Lichts bzw. zum Durchlass des Lichts. Die Begriffe parallele und gekreuzte Filter wurden eingeführt und modellhaft die lineare Polarisierung des Lichts, das Passieren durch parallele Filter und die Auslöschung durch gekreuzte Filter dargestellt (Abb.4).

<br />Abb.4 Modell zum Lichtdurchlass bei parallelen Polarisatoren bzw. zur Lichtauslöschung bei gekreuzten Polarisatoren

Nachdem man nun festgestellt hat, dass es bei gekreuzten Polarisatoren, wie sie auch in LCDs vorkommen, zur Auslöschung des Lichts kommt, ist im vierten Experiment eine erstaunliche Beobachtung zu machen: Platziert man ein „Sandwich" aus zwei Objektträgern, zwischen denen sich ein Tropfen MBBA befindet, zwischen gekreuzte Polarisatoren in den Strahlengang eines Diaprojektors, so kommt es trotz gekreuzter Polarisatoren an den Stellen, an denen sich die flüssigkristalline Probe befindet, zum Lichtdurchlass. Je nachdem, mit welchem Druck die beiden Objektträger zusammengehalten werden, ist die flüssigkristalline Schicht zwischen den Objektträgern unterschiedlich dick, wodurch es zu schönen Farbverläufen, bedingt durch Lichtbrechung und Interferenz kommt (Abb.5).

<br />Abb.5 MBBA-Sandwich (links) und Lichtdurchlass trotz gekreuzter Polarisatoren (Mitte und rechts)

Mit der Beobachtung des Lichtdurchlasses bei gekreuzten Polarisatoren ist eine für LCDs zentrale Eigenschaft von Flüssigkristallen in den Mittelpunkt gerückt: die Drehung des linear polarisierten Lichts. An dieser Stelle wird erneut das Thema Ordnung von Teilchen in einer Probe relevant und man kann sich die Anordnung der Flüssigkristall-Teilchen zwischen den beiden Glasplatten modellhaft wie bei einer Wendeltreppe oder verdrillten Strickleiter vorstellen. Vom MBBA-Sandwich zur LCD ist es nun nur noch ein kleiner Schritt.

Im fünften Experiment bekamen die Kinder eine fertige 1-Pixel-Testzelle sowie eine Batterie. Sie konnten durch Verbinden der Pole der Batterie mit der Zelle einen quadratischen Pixel sichtbar machen und ihn durch Entfernen der Spannungsquelle wieder verschwinden lassen. Hier ist die Wechselwirkung der flüssigkristallinen Phase mit dem elektrischen Feld ein neuer Aspekt. Es wurde erklärt, dass die Flüssigkristall-Moleküle unterstützt durch Orientierungsschichten in der Zelle zunächst eine verdrillte Anordnung einnehmen. Beim Anlegen des elektrischen Feldes wird diese aufgehoben, da sich die Moleküle parallel zum elektrischen Feld ausrichten. Dadurch kann das Licht nicht mehr den zweiten Polarisator passieren und der Pixel erscheint dunkel.

Weiterhin wurde eine Testzelle ohne Polarisatoren ausgehändigt, verbunden mit dem Auftrag, ein eigenes 1-Pixel-Display zu vollenden. Unter Rückgriff auf die Experimente 3 und 4 konnten die Kinder nun durch Positionieren der Zelle zwischen gekreuzten Polarisatoren und Verbinden mit der Batterie den Pixel sichtbar machen (Abb.6).

Abb.6 Lösungsstrategie zum Bau des 1-Pixel-Displays

Die Möglichkeit, einen Pixel durch Anlegen einer Spannungsquelle und Entfernen dieser sichtbar zu machen, ist ein Anknüpfungspunkt an das Thema elektrische Ansteuerung von Pixeln in einem Display, was in dieser experimentellen Reihe nur sehr kurz angesprochen wurde. Als Hinführung zu den in den Haushalten vorhandenen LCDs wurde abschließend angesprochen, wieviele einzelne Pixel bei einem typischen LC-Flachbildschirm angesteuert werden müssen, wodurch die Kinder ein erstes Bewusstsein für die Dimensionen, in denen gearbeitet wird, und die Präzision, die bei der Bildschirmerstellung notwendig sind, bekamen.

Die Erfahrung bei der Durchführung des Konzepts mit drei Gruppen á 30 Kindern während des Türöffnertages hat gezeigt, dass es sehr wohl möglich ist, komplexe naturwissenschaftliche Themen auf einem geeigneten Niveau für Kinder zugänglich zu machen und Kinder gleichzeitig in ihrem Interesse am eigenen experimentellen Handeln zu unterstützen. Das Verständnis der zugrunde liegenden Prozesse ging dabei sogar über einen rein phänomenologischen Zugang hinaus, und die Kinder waren in der Lage, mit verschiedenen Modellen zu arbeiten.

Als Weiterführung zu farbigen Displays und eine Erkundung dieser sei abschließend auf den LCD-Explorer der Firma Merck verwiesen [5].

Literatur

[1a] T. Geelhaar, K. Griesar, B. Reckmann: „125 Jahre Flüssigkristalle – die wissenschaftliche Revolution im Wohnzimmer", Angewandte Chemie, 125, 2013, S. 8960 – 8971.

[1b] O. Lehmann: „Über fliessende Krystalle", Zeitschrift für physikalische Chemie, Heft 4, 1889, S. 462-472.

[1c] F. Reinitzer: „Beiträge zur Kenntnis des Cholesterins", Monatshefte für Chemie und verwandte Teile anderer Wissenschaften, Heft 9, 1888, S. 421-441.

[2] C. Bohrmann-Linde, S. Weinzettel, R. Landau: "Türen auf für Flüssigkristalle - Lerneinheit zu Flüssigkristallen und Selbstbau eines einfachen 1-Pixel-Displays" Praxis der Naturwissenschaften - Chemie in der Schule, erscheint in Heft 4/64, 2015.

[3] H. Kelker, W. Bartsch: „Flüssig-kristalline Phasen mit besonders niedrigem Erstarrungspunkt", Angewandte Chemie Nr. 24, 1970, S. 984-985.

[4a] C. Bohrmann-Linde: "Ordnung macht bunt - Experimente mit Flüssigkristallen" in Praxis der Naturwissenschaften - Chemie in der Schule, Heft 6/56, 2007. S. 13-20.

[4b] C. Bohrmann-Linde, S. Krees, M.W. Tausch, M. von Wachtendonk (Hrsg.): CHEMIE 2000+, Qualifikationsphase Sek. II NRW, C. C. Buchner, Bamberg 2014, S. 254-255.

[5] www.merck.de/de/unternehmen/entdecke_merck/lcd_explorer.html, Zugriff: 26.2.2015