Alles fließt - aber nicht immer: Wie sich Teilchen in Flüssigkeiten verhalten
Ein österreichisches Forscherteam machte die faszinierende Entdeckung, dass sich Teilchen in einer Flüssigkeit zu Strukturen organisieren können. Wie die Forscher der Technischen Universität (TU) Wien und der Universität Wien im Fachblatt Physical Review Letters schreiben, ist die Anordnung von Teilchen in Flüssigkeiten nicht in jedem Fall zufällig. Sie fanden mysteriöse Strukturen, die von den winzigen Teilchen gebildet werden, aus denen eine Flüssigkeit besteht. Diese Gruppen von Teilchen formen unter mechanischer Belastung offenbar spontan Bindungen und verändern dadurch wesentlich die Eigenschaften der Flüssigkeit. In Computersimulationen analysierten die Forscher die Eigenschaften von Blut, Tinte und Mehlsuppe, in denen sich schwebende winzige Teilchen befinden, sogenannte "Kolloide". In manchen dieser Flüssigkeiten finden sich die Teilchen zu Gruppen zusammen, die sich dann ganz von selbst regelmäßig anordnen, wie Atome in einem Kristall. Unter mechanischer Belastung kann sich, wie die Forscher feststellen konnten, die kristalline Ordnung in eine andere Struktur umwandeln oder sich komplett auflösen. Lagern sich winzige Teilchen aneinander an, bezeichnet man dies als Cluster. Die Teilchen innerhalb eines Clusters können sich überlappen und durchdringen. Das Bemerkenswerte daran ist, dass sich diese Cluster nicht willkürlich anordnen, sondern ganz von selbst eine regelmäßige Struktur ausbilden - sogenannte "weiche Kristalle". Die Wissenschaftler beobachteten, dass zunächst die Kristallstruktur zu schmelzen beginnt - die Bindungen zwischen den Clustern werden gebrochen. Aus diesen "abgeschmolzenen" Teilchenclustern bildet sich dann aber spontan eine neue Ordnung: Lange, gerade Teilchenstränge entstehen, die sauber parallel zueinander angeordnet sind. Arash Nikoubashman, Leiter der Studie an der TU Wien, erklärt: "Erhöht man die Teilchendichte, bekommt zwar jeder Cluster eine immer größere Anzahl von Teilchen ab, doch der Abstand zwischen den Clustern bleibt unverändert." Während sich diese Stränge bilden, wird die Substanz immer dünnflüssiger - ihre Zähigkeit (die Viskosität) nimmt ab. Das liegt daran, dass sich die parallelen Stränge relativ leicht gegeneinander verschieben können. Belastet man das Material noch stärker, brechen allerdings auch diese Stränge auseinander, es entsteht eine "geschmolzene", also ungeordnete Ansammlung von Teilchenclustern - und die Zähigkeit der Substanz nimmt wieder zu: Immer mehr Teilchen werden aus ihren ursprünglichen Positionen gespült und bremsen so den Flüssigkeitsstrom ab. Dieses Verhalten gilt universell für alle Cluster-Kristalle. Die Studie baut auf früheren Untersuchungen in diesem Forschungsfeld auf, die bereits zeigten, dass die Partikel unter äußeren Einflüssen unerwartete Eigenschaften zeigen können. Das Forscherteam sieht ein breites Spektrum an Anwendungsmöglichkeiten für diese Effekte bei bestimmten Materialien - Blut oder großen Biopolymeren wie beispielsweise DNA-Molekülen sowie für die Konstruktion von Stoßdämpfern und Schutzkleidung. Auch in der Biotechnologie und Erdöl- und Pharmaindustrie oder für weitere Anwendungen, die auf dem Einsatz spezieller Nanomaterialien beruhen, könnten sie eine wichtige Rolle spielen.Weitere Informationen finden Sie unter: Universität Wien: http://www.univie.ac.at
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