Otto Lehmann (Physiker)

Otto Lehmann (* 13. Januar 1855 in Konstanz; † 17. Juni 1922 in Karlsruhe) war ein deutscher Physiker und „Vater“ der Flüssigkristall-Forschung.

Lebensdaten

Lehmann studierte zwischen 1872 und 1877 Naturwissenschaften an der Universität Straßburg und promovierte anschließend bei Paul Heinrich von Groth, dem Begründer der Zeitschrift für Mineralogie und Kristallographie (1877), über physikalische Isomerie (Isomere sind Moleküle gleicher Summenformeln, aber unterschiedlicher Struktur). Zunächst wird er Lehrer für Physik, Mathematik und Chemie an der Mittelschule von Mülhausen im Elsass, bevor er am 1. Oktober 1883 als Dozent für Physik an der damals Kgl. Technischen Hochschule in Aachen angestellt wird. 1888 wird Lehmann als Professor für Elektrotechnik an das Kgl. Sächsische Polytechnikum nach Dresden berufen. Doch bereits ein Jahr später wird er Nachfolger von Heinrich Hertz am Physikalischen Institut der Karlsruher Technischen Hochschule Fridericiana mit Lehrauftrag für Physik und Elektrotechnik. Dieser Hochschule, deren Rektor er in den Jahren 1900-1901 ist, bleibt er bis an sein Lebensende 1922 verbunden. Nach 1912 wird Lehmann mehrfach für den Nobelpreis vorgeschlagen, ohne ihn allerdings je zu erhalten.

Flüssige Kristalle

Lehmanns wissenschaftliches Lebenswerk lässt sich zusammenfassend beschreiben mit dem Titel seines 1904 in Leipzig erschienenen Hauptwerks: Flüssige 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. Dieses Mikroskop setzt er ebenfalls zur Untersuchung der inneren Struktur von Körpern ein. Seine 1888/89 in Leipzig 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 Flüssigkeit ansehen kann. Er hatte bereits 1877 beobachtet, dass die zähflüssige Modifikation des Jodsilbers unter Umständen oktaedrische Gestalt hat.

1888 berichtet der österreichische Botaniker und Chemiker Friedrich Reinitzer (1857-1927) von der Deutschen Technischen Hochschule in Prag, dass er beim Erhitzen und anschließendem Abkühlen zweier Substanzen im polarisierten Licht prächtige Farberscheinungen und das gleichzeitige Auftreten von Kristallen und amorpher geschmolzener Masse beobachtet habe. Reinitzer hatte Cholesterinbenzoat entdeckt und dabei festgestellt, dass diese merkwürdige 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 diese so genannten 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. Lehmann beginnt mit der systematischen Untersuchung der Substanzen und findet in der Folge mehr als 100 Stoffe mit ähnlichem Verhalten. Lehmann nennt diese Stoffe fließende Kristalle.

1891 begründet Lehmann die nach ihm benannte Kristallanalyse. Er vergleicht eine bekannte Verbindung mit der zu untersuchenden auf identische Eigenschaften. Dazu benutzt er das von ihm konstruierte Kristallisationsmikroskop. Nach Lehmann unterscheiden sich kristalline von amorphen Körpern dadurch, dass amorphe Körper keine Wachstumsrichtung aufweisen. 1904 veröffentlicht Lehmann als Zusammenfassung seiner Forschungsergebnisse sein Werk Flüssige Kristalle. Bis zu seinem Tode im Jahre 1922 bleiben die flüssigen Kristalle zentrales Thema seiner Forschungen. Otto Lehmann hinterließ mit diesem Thema ein für die damalige Zeit nahezu völlig erforschtes Kapitel der Physik. Aber eine technische Anwendung für die von ihm entdeckten Phänomene gab es zunächst nicht. So gerieten die flüssigen Kristalle und ihr Entdecker für nahezu sechzig Jahre mehr oder weniger in Vergessenheit.

LCD

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, Boveri & Cie. eine erste Flüssigkeitskristallanzeige (LCD=Liquid Crystal Display) auf der Basis homogener, organischer Flüssigkeiten her. Innerhalb eines Temperaturbereichs (circa -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 (nematische 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 Mesophase. Wie in einem Kristall führt die Ordnung der Moleküle hier zu optischen Effekten (Doppelbrechung, Polarisation des Lichts usw.) Beim LCD wird durch Anlegen elektrischer Felder die Molekülstruktur in der Mesophase so beeinflusst, dass sich die Lichtbrechung der Flüssigkeitskristalle im Vergleich zu deren Umgebung reversibel ändert, das heißt die Flüssigkeitskristalle 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 durch die so genannte Passive beziehungsweise Active Matrix-Steuerung gelöst hatte, tauchten Flüssigkeitskristallanzeigen Mitte der siebziger Jahre des vergangenen Jahrhunderts erstmals in Digitaluhren als technische Anwendung auf. Mittlerweile sind sie Standard bei allen möglichen technischen Anwendungen. Sie sind preiswert und benötigen kaum elektrische Energie. Nach der Art, wie sie ihre jeweiligen Bilder bzw. Pixel(=picture elements) erzeugen, unterscheidet man zwischen TN (=Twisted Nematic)-, STN (=Super Twisted Nematic)-, D-STN (=Double Super Twisted Nematic)-Displays oder neuerdings so genannten TFT (=Thin Film Transistor)-Displays. Bei TFT-Displays wird jedes Pixel durch einen eigenen Transistor angesteuert.

Otto-Lehmann-Stiftung

Seit 1998 verleiht eine Otto-Lehmann-Stiftung einen nach dem bedeutenden Physiker benannten Preis zur Förderung wissenschaftlicher Arbeiten von Nachwuchskräften auf dem Gebiet der Flüssigkeitskristallanzeige. Der Siegeszug und die Verbreitung des Notebooks mit seiner Flüssigkeitskristallanzeige und der Umstand, dass heute kaum eine Maschine, ein elektrisches Gerät oder eine technische Anwendung ohne ein LCD auskommt, ist der sinnfälligste Beweis für die enorme technische und wirtschaftliche Bedeutung der Entdeckungen Otto Lehmanns.

Werke

• Selbstanfertigung physikalischer Apparate. Leipzig (1885)
• Molekularphysik. 2 Bde. Leipzig (1888/89)
• Die Kristallanalyse. Leipzig (1891)
• Elektricität und Licht. Braunschweig (1895)
• Flüssige Krystalle. Leipzig (1904)
• Die scheinbar lebenden Krystalle. Eßlingen (1907)
• Die wichtigsten Begriffe und Gesetze der Physik. Berlin (1907)
• Flüssige Kristalle und ihr scheinbares Leben. Forschungsergebnisse dargestellt in einem Kinofilm. Voss, Leipzig 1921

Literatur

• Peter M. Knoll, Hans Kelker: Otto Lehmann - Erforscher der flüssigen Kristalle. Eine Biographie mit Briefen an Otto Lehmann. Privatpublikation, Ettlingen 1988
• Klaus Ricking: Otto Lehmann - Flüssige Kristalle und ihr scheinbares Leben. In: Peter Johannes Droste (Hrsg.): Made in Aachen. Beiträge zur regionalen Technik-, Wirtschafts- und Sozialgeschichte. Aachen 2000, S. 56-59
• Timothy J. Sluckin, David A. Dunmur, Horst Stegemeyer: Crystals that flow. Classic papers from the history of liquid crystals. Taylor & Francis, London, New York 2004