Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg

 
 
 
 
 
 
 
 

...etwas wissenschaftlicher

 Granulare Materialien zeigen zahlreiche Eigenschaften, die man in konventionellen Festkörpern und Flüssigkeiten nicht findet. Granulare Gase sind verdünnte Systeme makroskopischer Partikel, die durch inelastische Stöße miteinander wechselwirken. Thermische Bewegungen der Partikel sind, im Gegensatz zu molekularen Gasen, irrelevant. Um Sedimentation zu Verhindern ist entweder ein starkes äußeres Kraftfeld(Vibrationen, elektro-magnetische Felder)  oder Mikrogravitation erforderlich. In Schwerelosigkeit kann ein granulares Gas in drei Dimensionen bei geringer Anregung realisiert werden.

In der Literatur findet bisher zahlreiche numerische oder analytische Vorhersagen zur Dynamik granularer Gase. Experinemte wurden hauptsächlich mit Kugeln und in 2D durchgeführt. Die Resultate hängen hier stark vom Anregungsmechanismus, den Eigenschaften der Zelle usw. ab. Generell wurden nicht-Gaussförmige Geschwindigkeitsverteilungen und anomale Skalierungen des Druckes mit der Temperatur beobachtet. In den bisherigen Arbeiten in 3D in Mikrogravitation konnten die Partikel nicht verfolgt werden, außerdem spielt hier die Bildung von Clustern eine große Rolle. Um einen Vergleich der Geschwindigkeitsverteilungen mit den Vorhersagen der Literatur zu ermöglichen, sollte die Partikelverteilung im Behälter möglichst homogen sein und die Stöße von Partikeln untereinander sollten wesentlich häufiger sein als solche mit den Behälterwänden.

Benutzt man längliche Partikel anstatt Kugeln, so erscheint dies erst einmal als eine Verkomplizierung des Problems. Dies hat allerdings positive Auswirkungen auf das System:

 Wesentliche Resultate numerischer Simulationen sind die Instabilität von Clustern und eine Verletzung des Äquipartitionstheorems der mechanischen Energie. Experimentell wurde die Dynamik einzelner hantelförmiger Objekte (zwei zusammenhängende Kugeln) in 2D untersucht, außerdem Stäbchen in einer durch Luftstrom fluidisierten Schicht. Für Letztere fanden Daniels und Durian 2009, dass Translationen entlang der Symmetrieachse bevorzugt werden, und dass Rotationen stark unterdrückt werden. Hier betrug die Flächendichte der Stäbchen allerdings etwa 40 %, wir werden weitaus verdünntere Systeme untersuchen.

Wir untersuchen ein verdünntes Gas (ca. 1% Vol.) aus Stäbchen in drei Dimensionen bei schwacher Anregung durch Vibrationen in Mikrogravitation. Die Dynamik der Stäbchen wird von zwei Kameras aufgezeichnet, daraus werden 3D-Positionen rekonstruiert. Wir wollen zunächst einige grundlegende Fragen klären.

Bei höheren Volumenanteilen ist mit der Bildung von Clustern, und mit der Bildung einer Orientierungsordnung der Stäbchen zu rechnen. Dies kennt man aus anderen Gebieten der Physik weicher Materialien. Länglichen Moleküle oder Suspensionen von langen Nanopartikeln (einige Viren oder Bakterien, bestimmte Farbpigmente oder Gibsite) können sich sogenannte flüssigkristalline Phasen formen. Diese stellen Aggregatzustände dar, die Eigenschaften von Flüssigkeiten mit denen von Festkörpern vereinigen. Ein- oder zweidimensionale Ordnung charakterisiert die verschiedenen Phasen. Nematen, die einfachsten Flüssigkristalle, werden von stäbchenförmigen Molekülen gebildet, die sich mit ihrer Achse (im Mittel) parallel zu einer Vorzugsorientierung ausrichten. Nach Onsagers Theorie kann die Herausbildung flüssigkristalliner Phasen in Suspensionen formanisotroper Nanopartikel nach dem Prinzip der Minimierung des ausgeschlossenen Volumens erklärt werden. Fluidisierte anisotrope Granulate können auf makroskopischen Skalen quasi-flüssigkristalline Ordnung zeigen.

Letzte Änderung: 26.06.2013 - Ansprechpartner: Webmaster