For­schungs­team an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth unter­sucht “Gra­nular­ma­te­rie”

Weder fest noch flüs­sig: Gra­nu­la­re Mate­rie im Visier der Expe­ri­men­tal­phy­sik

Schwenktisch zur Erforschung der Dynamik granularer Materie. Die Glaskugeln in der Schale werden in eine Rotationsbewegung versetzt und dabei von der Kamera darüber beobachtet. Foto: Chr. Wißler

Schwenk­tisch zur Erfor­schung der Dyna­mik gra­nu­la­rer Mate­rie

“Mate­rie ist fest oder flüs­sig oder gas­för­mig”, heißt es gele­gent­lich im Phy­sik- oder Che­mie­un­ter­richt, wenn von den drei Aggre­gat­zu­stän­den die Rede ist. All­täg­li­che Erfah­run­gen schei­nen die­se Vor­stel­lung zu bestä­ti­gen – bei­spiels­wei­se wenn Eis taut oder Was­ser ver­dampft. Doch es gibt eine Art von Mate­rie, die sich die­ser gän­gi­gen Ein­tei­lung ent­zieht: Gra­nu­la­re Mate­rie. Mit deren Eigen­schaf­ten und Ver­hal­tens­wei­sen befasst sich ein For­schungs­team um Prof. Dr. Ingo Reh­berg an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth. Bei gra­nu­la­rer Mate­rie han­delt es sich um eine Sub­stanz, die aus festen Par­ti­keln zusam­men­ge­setzt ist. Die Grö­ße die­ser Par­ti­kel bewegt sich in der Regel in einer Grö­ßen­ord­nung zwi­schen weni­gen Mikro­me­tern und weni­gen Zen­ti­me­tern. Typi­sche Bei­spie­le sind Sand­hau­fen, Staub­wol­ken, Dünen oder Lawi­nen, aber auch Indu­strie­pro­duk­te wie Kies, Zement, Streu­salz, Zucker oder Wasch­pul­ver.

Model­lie­run­gen gra­nu­la­rer Mate­rie: Eine Her­aus­for­de­rung für die phy­si­ka­li­sche For­schung

Inner­halb gra­nu­la­rer Mate­rie hat jeder ein­zel­ne Par­ti­kel vie­le Mög­lich­kei­ten, mit benach­bar­ten Par­ti­keln in Wech­sel­wir­kung zu tre­ten. Daher sind die Eigen­schaf­ten und Ver­hal­tens­wei­sen bei­spiels­wei­se von Sand- oder Kies­hau­fen wand­lungs­fä­hig und viel­fäl­tig. Der­ar­ti­ge Men­gen kön­nen sich wie Fest­kör­per ver­hal­ten, aber auch wie Flüs­sig­kei­ten – je nach­dem, auf wel­chen Wegen Bewe­gungs­en­er­gie und Wär­me sich dar­in aus­brei­ten. Sogar ein gas­ähn­li­ches Ver­hal­ten lässt sich, bei­spiels­wei­se in den Wol­ken eines Sand­sturms, beob­ach­ten. In allen die­sen Fäl­len han­delt es sich nicht um Aggre­gat­zu­stän­de wie bei Eis, Was­ser oder Dampf, son­dern um feste, flüs­si­ge oder gas­för­mi­ge Erschei­nungs­for­men einer dich­ten Men­ge fester Par­ti­kel.

Die Eigen­schaf­ten und Ver­hal­tens­wei­sen gra­nu­la­rer Mate­rie zu berech­nen und in phy­si­ka­li­schen Model­len abzu­bil­den, ist eine wis­sen­schaft­li­che Her­aus­for­de­rung, an der heu­te welt­weit gear­bei­tet wird. An der Uni­ver­si­tät Bay­reuth befasst sich Prof. Dr. Ingo Reh­berg, Inha­ber des Lehr­stuhls für Expe­ri­men­tal­phy­sik V, schon seit vie­len Jah­ren mit die­ser The­ma­tik. In der aktu­el­len Aus­ga­be der “Zeit­schrift für Ange­wand­te Mathe­ma­tik und Mecha­nik” berich­ten er und wei­te­re Mit­glie­der sei­nes For­schungs­teams über neue­re For­schun­gen. Die­se zie­len ins­be­son­de­re auf ein bes­se­res Ver­ständ­nis der Pro­zes­se ab, die sich beim Über­gang von einem fest­för­mi­gen in einen flüs­sig­ar­ti­gen Zustand inner­halb gra­nu­la­rer Mate­rie abspie­len.

Von der Kame­ra beob­ach­tet: Gra­nu­la­re Par­ti­kel auf dem Schwenk­tisch und im Schwing­för­de­rer

Im Mit­tel­punkt der Unter­su­chun­gen in den Bay­reu­ther Labo­ra­to­ri­en ste­hen zwei expe­ri­men­tel­le Syste­me: ein Schwenk­tisch (“swir­ling table”) und ein Schwing­för­de­rer (“vibra­to­ry con­veyor”). Der Schwenk­tisch ist eine Appa­ra­tur, bei der klei­ne Glas­ku­geln sich auf der ebe­nen Ober­flä­che einer Scha­le befin­den. Die­se Scha­le wird, ohne dass sie sich um den eige­nen Mit­tel­punkt dreht, in eine hori­zon­ta­le Rota­ti­on ver­setzt. Eine Beson­der­heit der Ver­suchs­an­ord­nung besteht dar­in, dass alle Punk­te auf der Scha­le exakt die glei­chen Bewe­gun­gen voll­zie­hen. Dadurch ist sicher­ge­stellt, dass jeder Kugel die glei­che kine­ti­sche Ener­gie mit­ge­teilt wird, wenn sie ent­we­der mit einer ande­ren Kugel oder mit dem Rand der Scha­le zusam­men­stößt. Die kon­stan­te Ener­gie­zu­fuhr durch die kreis­för­mi­gen Rota­ti­ons­be­we­gun­gen bewirkt, dass die Kugeln in Vibra­ti­on gera­ten und sich von einem kri­ti­schen Punkt an nicht mehr wie eine feste, son­dern wie eine flüs­si­ge Mate­rie ver­hal­ten. Eine über der Scha­le befe­stig­te Hoch­ge­schwin­dig­keits­ka­me­ra ver­folgt die Bewe­gun­gen der Glas­ku­geln. Sie erzeugt 500 Auf­nah­men pro Sekun­de und lie­fert dadurch prä­zi­se Infor­ma­tio­nen über signi­fi­kan­te Ände­run­gen im Ver­hal­ten die­ser “Par­ti­kel”.

Im Unter­schied zum Schwenk­tisch ermög­licht es der Schwing­för­de­rer, gra­nu­la­re Mate­rie in Vibra­ti­ons­be­we­gun­gen zu ver­set­zen, die zeit­gleich hori­zon­tal und ver­ti­kal ver­lau­fen. Auch hier bie­tet eine Hoch­ge­schwin­dig­keits­ka­me­ra über­ra­schen­de Ein­blicke in das Bewe­gungs­ver­hal­ten. Bis­wei­len füh­ren die Dau­er­vi­bra­tio­nen dazu, dass die Glas­ku­geln, Sand­kör­ner oder ande­re Par­ti­kel sich in auf­fäl­li­gen drei­di­men­sio­na­len Mustern zusam­men­fin­den.

Anwen­dungs­po­ten­zia­le in der Indu­strie

Die Ergeb­nis­se die­ser expe­ri­men­tel­len Grund­la­gen­for­schung sind hochr­e­le­vant für die Indu­strie – ins­be­son­de­re für Unter­neh­men, die Schütt­gut wie Kies, Sand oder Streu­salz her­stel­len, ver­packen oder aus­lie­fern. Denn die gewon­ne­nen Infor­ma­tio­nen kön­nen dazu bei­tra­gen, den Trans­port die­ser Güter mit einem gerin­gen Ener­gie­auf­wand und somit kosten­gün­stig durch­zu­füh­ren.

“Der­zeit sind wir von phy­si­ka­li­schen Model­len, die das Ver­hal­ten gra­nu­la­rer Mate­rie exakt beschrei­ben und zuver­läs­si­ge Pro­gno­sen ermög­li­chen, noch weit ent­fernt”, erklärt Prof. Dr. Ingo Reh­berg. “Aber unse­re bis­he­ri­gen Unter­su­chun­gen bestär­ken uns in der Auf­fas­sung, dass Pha­sen­über­gän­ge viel­ver­spre­chen­de Ansatz­punk­te für eine Model­lie­rung dar­stel­len. Sol­che Pha­sen­über­gän­ge sind zum Bei­spiel die Ver­än­de­run­gen in der Bewe­gungs­rich­tung oder der Wech­sel zwi­schen Zustän­den, die den Aggre­gat­zu­stän­den ‘fest’, ‘flüs­sig’ und ‘gas­för­mig’ glei­chen. In unse­rer Bay­reu­ther DFG-For­scher­grup­pe ‘Nicht­li­nea­re Dyna­mik kom­ple­xer Kon­ti­nua’ wol­len wir die­se Unter­su­chun­gen wei­ter vor­an­trei­ben.”

Video­se­quen­zen zu den Schwenk­tisch-Expe­ri­men­ten:

http://www.uni-bayreuth.de/blick-in-die-forschung/35–2010-Videos/

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