Texturen der orientierten Proben

5.3 Polarisationsmikroskopische Untersuchungen spiralförmige Verdrillung der Struktur unverkennbar. Im Falle einer Orientierung der Kapillarachse parallel zum Magnetfeld liegt P hingegen in der Größenordnung von etwa 2 mm bei einer Nanopartikelkonzentration voncTI-202 ≈3, 2⋅10⁷Helices/ml. Diese Helixganghöhe ist zwar ungewöhnlich groß, gleichzeitig ist jedoch die Teilchendichte der Nano-Helices vergleichsweise gering, woraus sich auf ein beachtliches chirales Induktionsvermögen der helikalen Nanopartikel schließen lässt. Eine Bestimmung der helikalen Verdrillungsstärke war jedoch aufgrund des in Abschnitt 5.2.2 diskutierten Problems der Konzentrationsbestimmung und den daraus resultierenden Schwierigkei-ten einer konzentrationsabhängigen Messung der helikalen Ganghöhe nicht möglich.

Auch für die mit TI-202-Partikeln dotierten Proben des quasi-binären CEDAB/DOH/Wasser-Wirtssystems wurden die für beide unterschiedlichen Ausrich-tungen des Magnetfeldes erhaltenen Probenorientierungen untersucht. Abbildung 5.12 zeigt die zugehörigen polarisationsmikroskopischen Aufnahmen, wobei erneut die Aufnahmen auf der linken Seite jeweils die Probenorientierung nach etwa einer Woche im magnetischen Feld, die Aufnahmen auf der rechten Seite hingegen den nach zwei Wochen erreichten Endzustand der Proben illustrieren. Im Falle einer senkrecht zur Flussrichtung des magnetischen Feldes orientierten Kapillarachse fällt eine intensiv farbige Textur auf, welche von einem dunklen Streifen durchbrochen wird, der im-mer wieder von einer Seite der Kapillare zur anderen wechselt. Diese Struktur lässt kaum eine Ähnlichkeit zu ihrem auf Basis des binären Systems erhaltenen Gegenstück erkennen und liefert keine klaren Hinweise auf eine mögliche Chiralität der Phase.

Anders sieht es hingegen im Falle einer Orientierung der Kapillarachse parallel zum magnetischen Feldvektor B⃗ aus. Für diese zeigen die Proben eine helikal verdrillte Struktur, die praktisch identisch mit jener ist, die in Proben für das binäre System bei gleicher Magnetfeldorientierung beobachtet wird.

Die parallele Ausrichtung der Kapillarachse zur Flussrichtung des magnetischen Feldes wurde für zwei Proben des quasi-binären CEDAB/DOH/Wasser-Systems mit unter-schiedlicher Konzentration untersucht. Dabei zeigt sich, dass die Ganghöhe der in der Probe erkennbaren helikal verdrillten Struktur von der Konzentration der Nanopartikel

400 µm

CEDAB/DOH/Wasser + TI-202 B

400 µm

CEDAB/DOH/Wasser + TI-202 B

400 µm

CEDAB/DOH/Wasser + TI-202 B

200 µm

CEDAB/DOH/Wasser + TI-202 B

400 µm

CEDAB/DOH/Wasser + TI-202 B

200 µm

CEDAB/DOH/Wasser + TI-202 B Abbildung 5.12: Orientierte Proben des mit Nano-Helices des Typs TI-202 dotierten quasi-binären CEDAB/DOH/Wasser-Systems mitω_CEDAB= 0,28. Die Texturbilder wurden jeweils nach einer Verweilzeit von einer (links) beziehungsweise zwei Wochen (rechts) im Magnetfeld aufgenommen, dessen Flussrich-tung jeweils durch den magnetischen FeldvektorB⃗gekennzeichnet ist.

Oben:c_TI-202≈4, 0⋅10⁷Helices/ml, Ausrichtung der Kapillarachse orthogonal zuB. Das Bild auf der rech-⃗ ten Seite zeigt hierbei zwei auf identische Weise behandelte Proben gleicher Konzentration. Die Texturen sind von einem verschlungenen dunklen Streifen geprägt, eine helikal verdrillte Struktur oder andere ein-deutige Anzeichen von Chiralität werden hingegen nicht gefunden.

Mitte:c_TI-202≈1, 3⋅10⁷Helices/ml, Ausrichtung der Kapillarachse parallel zuB. Die Textur zeigt eine he-⃗ likale Verdrillung des Direktorfeldes, welche einen Beweis für die induzierte Chiralität der Phase darstellt.

Die Ganghöhe der Helix beträgt hier etwa 2,5 mm.

Unten:c_TI-202≈4, 0⋅10⁷Helices/ml, Ausrichtung der Kapillarachse parallel zuB. Auch hier ist die helikale⃗ Verdrillung des Direktorfeldes zu erkennen, aufgrund der höheren Konzentration an helikalen Nanoparti-keln beträgt die Ganghöhe der Helix hier nur noch rund 1,3 mm.

5.3 Polarisationsmikroskopische Untersuchungen abhängig ist. Bei einer TI-202-Konzentration von etwa 1, 3⋅10⁷ Helices/ml ergab sich ein Wert von etwa P = 2,5 mm für die helikale Ganghöhe, eine Erhöhung der TI-202-Konzentration auf 4, 0⋅10⁷Helices/ml sank der Wert etwa auf die Hälfte ab (P= 1,3 mm).

Dies bestätigt, dass es sich bei der Bildung der beobachteten Struktur tatsächlich um einen durch die Dotierung der Wirtsphase mit den Nano-Helices hervorgerufenen Chi-ralitätseffekt handelt. Es zeigt sich erneut das beträchtliche chirale Induktionsvermögen der Nano-Helices, auf Basis der verfügbaren Daten ist die Bestimmmung der helikalen Verdrillungsstärke jedoch auch hier nicht möglich. Auf diese grundlegende Problematik soll in Abschnitt 5.5 genauer eingegangen werden.

Die Texturen, die sich in orientierten Proben ergaben, deren Kapillarachse orthogo-nal zur Flussrichtung des magnetischen Feldes in dieses eingebracht wurde, konnten bislang nicht erklärt werden und sollen daher an dieser Stelle nicht weiter berück-sichtigt werden. Dagegen können die Texturen, die sich in orientierten Proben bei einer Ausrichtung der Kapillarachse parallel zum Magnetfeld ergaben, als deutlicher Hinweis auf die durch Zugabe der helikalen Nanopartikel erfolgte Induktion von Chiralität in den lyotropen Wirtsphasen gesehen werden. In ihrer auf den Ergebnissen der vorliegenden Dissertation aufbauenden Masterarbeit identifizierte Clarissa Dietrich die beobachteten Texturen als Muster spiralförmig verlaufender Disklinationslinien, die durch die helikale Verdrillung des Direktorfeldes in der Probe zustande kommen ( [71], vgl. Abbildung 5.13 oben). Bei weiteren Untersuchungen an mit Nano-Helices dotierten lyotropen wie auch thermotropen Systemen konnte sie unter anderem einen linearen Anstieg der helikalen Verdrillung P⁻¹ mit zunehmender Nano-Helix-Konzentration beobachten (vgl. Abbildung 5.13 unten), der einen eindeutigen Hinweis auf das chirale Induktionsvermögen der helikalen Nanopartikel darstellt [73].

0 1 2 3 4 5 6 0,0

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

c/ 10^{10 Helices}_ml P−1 /cm−1

Abbildung 5.13:Auf den Ergebnissen der vorliegenden Dissertation aufbauende Forschungsergebnisse von M. Sc. Clarissa Dietrich (Institut für Physikalische Chemie, Universität Stuttgart).

Oben: Schematische Darstellung des Zustandekommens typischer Texturbilder in orientierten Proben von mit helikalen Nanopartikeln dotierten chiral-nematischen Flüssigkristallphasen (aus [71]). Das Direktorfeld ist in Richtung der langen Achse der zylindrischen Kapillare spiralförmig verdrillt (schwarze gestrichelte Linien), wodurch sich die Position der beiden Disklinationen (schwarze Punkte) periodisch ändert und es zur Ausbildung der beiden helikal gegeneinander verdrillten Disklinationslinien (rote Linien) kommt. Im polarisationsmikroskopisch erhaltenen Texturbild ist der Verlauf der Disklinationslinien als Helix-Struktur zu erkennen.

Unten: Verlauf der helikalen VerdrillungP⁻¹in einer induziert chiral-nematischen Phase in Abhängigkeit von der Konzentration helikaler Nanopartikel (nach [73]). Für die gezeigte Messung wurde die nematische Phase des thermotropen Flüssigkristalls 4-Cyano-4’-Pentylbiphenyl (5CB) als Wirtssystem verwendet. Die charakteristischen Kenngrößen (vgl. Abbildung5.5 links) der als Dotierstoff verwendeten Nano-Helices be-trugen hierbeiL =250 nm,P=100 nm,a=30 nm undr= 25−30 nm. Der lineare Anstieg der Werte mit steigender Dotierstoffkonzentration ist ein eindeutiger Hinweis für das chirale Induktionsvermögen der

5.3 Polarisationsmikroskopische Untersuchungen