Vergröberungsdynamik ferromagnetischer granularer Netzwerke

In den letzten Jahren haben Netzwerke die weder vollständig regulär noch komplett zufällig sind, viel Aufmerksamkeit erregt. Beispiele umfassen Verbindungen zwischen Routern im Internet, ineinander verschachtelte Zitationen, Adernnetzwerke in Blättern oder sogar das Stadtbahnnetz von Tokio. Diese Netzwerke sind nicht transient, können sich aber mit der Zeit entwickeln. In der Natur findet man aber auch sogenannte transiente Netzwerke, die sich unter bestimmten Umständen bilden und mit der Zeit zunehmend kompakter werden, bis sie letztendlich ihre Netzwerkeigenschaft verlieren. Auf mikroskopischer Ebene wurden solche sich vergröbernden Strukturen in einer wässrigen Lösung eines Polymers von Hajime Tanaka im Jahre 2000 beobachtet. Dieser Effekt wird viskoelastische Phasenseparation genannt. Die faszinierende Entdeckung belegt die Existenz einer qualitativ neuen Art der Phasenseparation in der Natur. Es gibt sogar Anzeichen dafür, dass diese Art der Phasenseparation allgemeiner ist wie die bereits bekannten zwei Modelle, die Phasenseparation im Festkörper und in Flüssigkeiten beschreiben. In unserem Projekt untersuchen wir eine Mischung von magnetisierten Stahlkugeln (Durchmesser 3mm) und Glaskugeln, die sich von einem vollständig homogenen Zustand unter dem Einfluss von intrinsischen magnetischen Kräften entwickelt. Wir beobachten die Bildung eines transienten Netzwerkes aus Magnetkugeln, welches sich in der Zeit vergröbert. Ist dieser Prozess das erste makroskopische Beispiel für eine viskoelastische Phasenseparation? Um dies zu klären führen wir Experimente und Computersimulationen durch. In den Experimenten wird ein flaches Gefäß mit Stahl- und Glaskugeln mechanisch geschüttelt und von einer Kamera aufgenommen. In den Simulationen modellieren wir das plötzliche Einfrieren eines Hochtemperaturgases von magnetischen und nicht-magnetischen Kugeln. Beide Zugänge ergänzen einander: im Experiment kommt die komplexe Natur der stählernen Kugeln vollständig zu tragen, und es ist schwierig die Störungen des Randes zu vermeiden. In Computersimulationen dagegen kann die Wechselwirkung zwischen den Teilchen auf ihre Essenz reduziert werden, Randeffekte lassen sich vermeiden, und es können unterschiedliche Arten von Kugeln leicht untersucht werden. Durch die Kombination der Leistungen und der Erfahrung der experimentellen und modellierenden Gruppen werden wir mächtige Techniken und fortgeschrittene Zugänge verwenden und entwickeln, um nicht nur unser Verständnis der Netzwerkformation und der Phasentrennung in ferrogranularen Materialien zu vertiefen und die magnetische Reaktion dieser Systeme zu analysieren, sondern auch um die Parallelen mit magnetischer weicher Materie im nano-Bereich aufzudecken. Über die Nanoskala hinaus kann unser Projekt auch für astronomische Dimensionen Bedeutung bekommen: Eisen und Nickelpartikel finden sich sowohl im Sternenstaub, in M-Typ Asteroiden und im Inneren vieler Planeten.

Dieses Projekt untersuchte die Vergröberungsdynamik von Ferrogranulaten - Mischungen aus magnetisierten Stahl- und Glaskugeln - die durch anisotrope magnetische Wechselwirkungen angetrieben wird. Angeregt durch frühere Beobachtungen von Ketten- und Netzwerkbildungen in vibrierenden ferrogranularen Systemen und inspiriert vom Konzept der viskoelastischen Phasentrennung (VPS) aus molekularen Mischungen, prüften wir, ob sich ein solches Verhalten auch im Makromaßstab durch VPS-Prinzipien beschreiben lässt. Wir kombinierten Experimente mit Computersimulationen, um die grundlegenden Mechanismen der Strukturentstehung zu erforschen. Die experimentelle Anordnung bestand aus flachen Gefäßen, die mechanisch in Vibration versetzt und mittels Hochgeschwindigkeitskamera beobachtet wurden. In den Simulationen kam ein neu entwickeltes, grob vereinfachtes Modell magnetisch susceptibler Partikel zum Einsatz. Dieser zweigleisige Ansatz ermöglichte es uns, physikalischen Realismus mit dem Zugang zu langen Zeitskalen und einem breiten Parameterspektrum zu verbinden. Die Forschung schlug erfolgreich eine Brücke zwischen den Bereichen granularer Materie, magnetischer Flüssigkeiten, Phasenübergänge und komplexer Netzwerke. Sie legte universelle physikalische Mechanismen offen, die magnetisch induzierte Aggregation steuern - mit potenzieller Relevanz für verschiedenste Systeme, darunter magnetorheologische Suspensionen oder die Agglomeration von kosmischem Staub in frühen Phasen der Planetenentstehung. Das Projekt wurde von PD Dr. Reinhard Richter (Universität Bayreuth) geleitet, der die experimentellen Arbeiten betreute, und von Prof. PD Dr. Sofia Kantorovich (Universität Wien), die die Modellierung und Simulation verantwortete.