Weiche Materie

Viele Materialien, die sich im Grenzbereich zwischen fester und flüssiger Phase befinden und sich daher nur bedingt zu einem dieser Zustände zuordnen lassen, werden als weiche Materie (engl. soft matter) bezeichnet. Neben klassischen Vertretern weicher Materie wie Flüssigkristallen, Polymerschmelzen und –lösungen, Gelen und Elastomeren werden auch Biomaterie, beispielsweise Zellen, sowie Materialien mit biomimetischer Funktionalität als Weiche Materie verstanden.

In unserer Arbeitsgruppe kommen Polymere mit unterschiedlicher Funktionalisierung, teilweise auch als Gemisch mit Flüssigkristallen oder Farbstoffen zum Einsatz. Im Bereich der Biophotonik werden darüber hinaus Zellen, teils modifiziert, verschiedener Organismen eingesetzt.

Photoschaltbare Polymere - Azopolymere

Polymere, die durch Anhängen eines Azofarbstoffs funktionalisiert worden sind, werden Azopolymere genannt. Das Besondere dieser Materialien liegt in der Kofigurationsisomerie des Azofarbstoffs, welche es erlaubt diesen lichtgesteuert zwischen cis- und trans-Zustand zu schalten, wodurch sich die räumliche Stellung der Azoverbindung ändert. Wird ein dünner Film eines solches Azopolymer über einen längeren Zeitraum mit einer ausreichend hohen Lichtintensität beleuchtet, dann führt dies zu einem Prozess der sich Photoverflüssigung nennt. Bei diesem Prozess kann sich das Azopolymer entlang der Polarisationsrichtung des einstrahlenden Lichtes von Bereichen mit hoher Intensität zu solchen mit geringerer Intensität bewegen. Erfolgt die Bestrahlung nicht homogen sondern mit einem Lichtmuster, so formt diese an der Materialoberfläche eine dem Lichtmuster entsprechende Reliefstruktur. Darüber hinaus gibt es auch im Materialvolumen eine Brechungsindexstruktur. Im Gegensatz zu Photopolymeren ist die Reliefbildung unter Ausnutzung der Isomerie reversibel. Bei Verwendung zirkular polarisierter homogener Beleuchtung können zuvor erzeugte Strukturen wieder gelöscht werden, weswegen Azopolymere auch zeitweilig als Materialien für die Datenspeicherung in Betracht gezogen wurden. Verwendung finden die strukturierten Azopolymerfilme als Masterstrukturen zu Herstellung transparenter Stempel aus dem ebenfalls weichen Polydimethylsiloxan (PDMS), welche wiederum vielfältige Anwendungsmöglichkeiten bieten. Der Einsatz als Struktur zur Lichtumverteilung und damit zur Effizienzsteigerung in Solarzellen sei an dieser Stelle genannt.

Photorefraktive Polymerkomposite

Als Ergänzung zu photorefraktiven (PR) Kristallen wurden seit Beginn der 1990er Jahre kontinuierlich auch polymerbasierte Materialien mit photorefraktiven Eigenschaften entwickelt. Neben vollfunktionalisierten Polymeren hat sich dabei der Ansatz Polymerkomposite, bei denen jeder Bestandteil eine Funktion des PR Effektes übernimmt, als besonders vielversprechend herausgestellt. Insbesondere bei Anwendungen, bei den es auf ein schnelles Antwortverhalten des Materials ankommt, zeichnen sich diese Komposite besonders aus. Darüber hinaus sind sie durch ihren modularen Aufbau auch sehr gut auf den jeweiligen Anwendungszweck abstimmbar. Dies betrifft insbesondere die Wellenlänge, bei der das Material sensitiv ist, aber auch die elektrooptischen Eigenschaften. Die von uns synthetisierten Polymerkomposite bestehen in der Regel aus jeweils ein bis zwei Komponenten pro Funktion. Das heißt, es gibt in der Regel einen Farbstoff, der die notwendige Lichtsensitivität besitzt und daher optisch angeregt werden kann. In Kombination mit einem für Löcher leitfähigen Polymer erhält man ein photoleitfähiges Material. Wird nun noch eine elektrooptische Komponente, zum Beispiel ein Flüssigkristall, hinzugefügt, erhält man ein Kompositpolymer mit photorefraktiven Eigenschaften.

Photopolymere

Unter dem Begriff Photopolymere versteht man Systeme organischer Moleküle, bei denen unter Lichtexposition Polymerisationprozesse stattfinden, die den Brechungsindex verändern oder aber das Material an den exponierten Stellen lokal aushärten lassen. Während sich der erstgenannte Prozess zur Speicherung von Daten sowie zur Erzeugung diffraktiver optischer Elemente eignet, ist der letztgenannte Prozess insbesondere zur Herstellung mikro- und nanostrukturierter Objekte geeignet. Mit dieser Technik lassen sich analog zum inzwischen weit verbreiteten 3D-Druck Objekte erstellen, die noch einige Größenordnungen kleiner sind, als solche, die mit konventionell erhältlichen Geräten erzeugt werden können.