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Otto Lehmann - Flüssige Kristalle und ihr scheinbares Leben

von Klaus Ricking

Am 13. Januar 2015 jährte sich der 160. Geburtstag eines bedeutenden Physikers und ehemaligen Dozenten der Aachener Hochschule. Viele von uns werden täglich mit den technischen Anwendungen seiner Entdeckungen konfrontiert, aber nur wenige vebinden sie mit einem Namen: LCD-Displays. Sein Name ist Otto Lehmann, seine Entdeckung sind die 'flüssigen Kristalle'.

Otto Lehmann wurde am 13. Januar 1855 in Konstanz geboren. Zwischen 1872 und 1877 studierte er Naturwissenschaften an der Universität Straßburg und promovierte anschließend bei P. Groth, dem Begründer der Zeitschrift für Mineralogie und Kristallographie (1877), über physikalische Isomerie (Isomere sind Moleküle gleicher Summenformeln, aber unterschiedlicher Struktur). Zunächst Lehrer für Physik, Mathematik und Chemie an der Mittelschule von Mühlhausen im Elsaß, wird Otto Lehmann am 1. Oktober 1883 Dozent für Physik und Assistent Adolf Wüllners (1835-1908) an der Kgl. Technischen Hochschule in Aachen. Er übernimmt den bisherigen Aufgabenbereich Otto Grotrians (1847-1921), der seit dem Frühjahr 1883 mit den rasch an Bedeutung gewinnenden elektrotechnischen Fragestellungen und dem Aufbau eines elektrotechnischen Laboratoriums beauftragt worden war. Lehmann assistierte Wüllner nicht nur bei dessen Vorlesungen und Übungen im physikalischen Laboratorium, sondern führte gleichzeitig mit ihm anwendungsorientierte Untersuchungen durch. So hatte Wüllner beispielsweise zu Beginn des Jahres 1883 von der wissenschaftlichen Abteilung der Wettter-Commission der preußischen Bergbaubehörde einen Forschungsauftrag zur Untersuchung der Entzündbarkeit explosiver Grubengasgemische durch glühende Drähte und elektrische Funken erhalten. Am 22. April 1885 versammelte sich die Kommission in Aachen, um sich von Wüllner und Lehmann über die Ergebnisse der Experimente informieren zu lassen. Neben diesen Aufgaben scheint sich Lehmann nach eigenen Aussagen auch in Aachen intensiv mit Forschung zur Kristallisation beschäftigt zu haben.

Lehmanns wissenschaftliches Lebenswerk läßt sich zusammenfassend beschreiben mit dem Titel seines 1904 in Leipzig erschienenen Hauptwerks: 'Füssige Kristalle'. Seit den 70er Jahren des 19. Jahrhunderts untersucht Lehmann systematisch Kristallwachstum und Modifikationsänderungen kristalliner Substanzen. Er benutzt dazu unter anderem ein von ihm 1877 entwickeltes und 1884 und 1890 verbessertes Kristallisationsmikroskop. Er setzt das Mikroskop ebenfalls zur Untersuchung der inneren Struktur von Körpern ein. Seine 1888/1889 erschienene 'Molekularphysik' faßt das gesamte damalige Wissen über die Physik der Materie zusammen. So zeigt Lehmann unter anderem auf, "daß , wenn man mit den auf einen festen Körper wirkenden Kräften über die Elastizitätsgrenze hinausgeht, Formveränderungen der Körper eintreten, welche man im wesentlichen als ein Überwinden der Starrheit, als ein langsames Fließen ähnlich dem Fließen der Flüssigkeiten ansehen kann". Lehmann hatte bereits 1877 beobachtet, daß die "zähflüssige Modifikation des Jodsilbers unter umständen oktaedrische Gestalt hat." 1888 berichtete der österreichische Botaniker und Chemiker Friedrich Reinitzer (1857-1927) von der Deutschen Technischen Hochschule in Prag, daß er beim Erhitzen und anschließenden Abkühlen zweier Substanzen im polarisierten Licht prächtige Farberscheinungen und das gleichzeitige Auftreten von Kristallen und amorpher geschmolzener Masse beobachtet habe. Reinitzer hatte das Cholesterinbenzoat entdeckt und beobachtet, daß diese merkwürdige chemische Substanz bei 145°C schmilzt, aber erst bei Temperaturen über 179°C zu einer klaren Flüßigkeit wird. Bei Temperaturen über 145°C und unter 179°C sieht der Stoff milchig trübe aus. Lehmann untersuchte die sogenannten Reinitzerschen Präparate und erkannte, daß Cholesterinbenzoat und das von ihm untersuchte Jodsilber zwischen der flüssigen und festen auch noch eine dritte Phase besitzen und in dieser Zwischenphase identische Verhaltensweisen wie etwa eine starke Doppelbrechung unter dem Polarisationsmikroskop zeigen. Er begann mit der systematischen Untersuchung der Substanzen und fand in der Folge mehr als 100 Stoffe mit ähnlichem Verhalten. Lehmann nannte diese Stoffe 'fließende Kristalle'. 1891 begründete Otto Lehmann die nach ihm benannte Kristallanalyse: Er vergleicht eine eine bekannte Verbindung mit der zu untersuchenden auf identische Eigenschaften. Dazu benutzt er das von ihm von ihm konstruierte Kristallisationsmikroskop. Nach Lehmanns Definition unterscheiden sich dabei kristalline von amorphen Körpern dadurch, daß amorphe Körper keine Wachstumsrichtung aufweisen. 1904 veröffentlicht er als Zusammenfassung seiner Forschungsergebnsse sein Werk 'Flüssige Kristalle'. Bis zu seinem Tod im Jahre 1922 bleiben sie zentrales Thema seiner Forschungen. Lehmann hinterließ mit diesem Thema ein für die damalige Zeit nahezu völlig erschlossenes Kapitel der Physik. Kurz vor seinem Tode hatte er seine Forschungen und ihre Ergebnisse zum Thema eine kulturwissenschaftlichen Kinofilmes gemacht. und sie so einem breiteren Publikum näher zu bringen versucht. Aber eine technische Anwendung für die von ihm entdeckten Phänomene gab es zunächst nicht. So gerieten die 'flüssigen Kristalle' unfd ihr Entdecker für nahezu sechs Jahrzehnte mehr oder weniger in Vergessenheit.

Erst Ende der sechziger Jahre begann man erneut, sich intensiv mit Lehmanns flüssigen Kristallen zu beschäftigen. 1971 stellte der schweizer Chemiekonzern F. Hoffmann La Roche gemeinsam mit der Elektrofirma Brown, Bovari & Cie. eine erste Flüssigkristallanzeige (LCD=Liquid Crystal Display) auf der Basis homogener organischer Flüssigkeiten her. Innerhalb eines Temperaturbereichs (ca. -20°C bis +70°C), bei dem zwischen der normalen flüssigen und der festen Phase ein flüssiger Zustand gegeben ist, orientieren sich die Moleküle dieser Stoffe in mindestens einer räumlichen Richtung (neumatische Phase) oder zusätzlich in Schichten (smektische oder cholestrische Phase) einheitlich. Die einzelnen Schichten sind gegeneinander und in sich verschiebbar und drehbar. Die Gesamtheit dieser Phasen zwischen isotroper Flüssigkeit und Festkörper heißt Mesopohase. Wie in einem Kristall führt die Ordnung der Moleküle hier zu optischen Effekten (Doppelbrechung, Polarisation des Lichts usw.) Beim LCD wird durch Anlegung elektrischer Felder die Molekülstruktur in der Mesophase so beeinflußt, daß sich die Lichtbrechung der Flüßigkristalle im Vergleich zu deren Umgebung reversibel ändert, d.h. die Flüssigkristalle nach dem Abschalten des elektrischen Feldes wieder in ihren Ursprungszustand zurückkehren. Optisch wirkt sich dieses Verhalten unter bestimmten Betrachtungswinkeln zum Beispiel als Helligkeitskontrast aus, wodurch eine Anzeige von Ziffern oder Buchstaben möglich wird Vorteil dieser Flüssigkeitskristallanzeige ist die extrem geringe elektrische Leistung im Bereich von wenigen µW/cm², die zum Betrieb eines solchen Displays benötigt wird. Nachdem man das Problem der elektrischen Ansteuerung der Flüssigkristalle durch die sogenannte Passive oder Active Matrix-Steuerung gelöst hatte, tauchten sie Mitte der siebziger Jahre erstmals in Digitaluhren als technische Anwendung auf. Mittlerweile sind sie Standard bei Anzeigen im Haushalt, Automobilen und zahlreichen anderen technischen Anwendungen. Sie sind preiswert und benötigen kaum elektrische Energie. Ohne hier näher auf die technischen Details einzugehen, unterscheidet man die Flüssigkeitskristallanzeige nach der Art, wie sie ihre jeweiligen Bilder bzw. Pixel (=picture elements) erzeugen als TN (=Twisted Nematic), STN (Super Twisted Nematic), D-STN (=Double Super Twisted Nematic)-Displays etc. oder neuerdings als sogenannte TFT (=Thin Film Transistor)-Displays, bei der jedes Pixel durch einen eigenen Transistor angesteuert wird.

Seit 1998 verleiht die 'Otto-Lehmann-Stiftung' einen nach dem bedeutenden Physiker benannten Preis. Er wird jährlich in Karlsruhe zur Förderung wissenschaftlicher Arbeiten von Nachwuchskräften auf dem Gebiet der Flüssigkristalltechnik vergeben. Der Siegeszug und die Verbreitung des Notebooks mit seiner Flüssigkristallanzeige und der Umstand, daß heute kaum eine Maschine oder ein elektrisches Gerät ohne ein LCD auskommt, ist der sinnfälligste Beweis für die enorme technische und wirtschaftliche Bedeutung der Entdeckung Otto Lehmanns.

Literatur

P.M. Knoll; H. Kelker, Otto Lehmann, Erforscher der 'flüssigen Kristalle'. Eine Biographie mit Briefen an Otto Lehmann. Privatpublikation, Ettlingen (1988).

Otto Lehmann, Molekularphysik, Leipzig 1888/1889.

Otto Lehmann, Flüssige Kristalle und ihr scheinbares Leben. Forschungsergebnisse dargestellt in einem Kinofilm v. Otto Lehmann, Leipzig 1921.

(Der vollständige Anmerkungsapparat findet sich in der gedruckten Fassung.)