Flüssigkeiten mit modulierten Dichteprofilen

In vielen industriellen Anwendungen, zum Beispiel in Maschinen, sind Flüssigkeiten auf sehr enge Räume beschränkt. Beispielsweise werden flüssige Schmierstoffe in kleinen Zwischenräumen zwischen festen Komponenten zur Verringerung von Reibung und Verschleiß verwendet. Andere Beispiele in beschränkter Geometrie sind Flüssigkeiten in porösen Festkörpern und in biologischen Systemen. In diesen eingeschränkten Geometrien sind die Eigenschaften der Flüssigkeit grundlegend anders als in homogenen Systemen, die Viskosität der Flüssigkeit ist hier signifikant erhöht und die rheologischen Eigenschaften unterscheiden sich drastisch. Derartige Flüssigkeiten sind weit verbreitet und können das Verhalten der sie umgebenden Strukturen beeinflussen. Ein tiefgreifendes theoretisches Verständnis ist daher wesentlich, um Fortschritte für praktische Anwendungen zu erzielen. Jedoch ist eine direkte Untersuchung schwierig, da man kurze Zeiten und Längenskalen auflösen muss. Da die Wände im Allgemeinen rau sind, ist die Wechselwirkung zwischen der Flüssigkeit und den Wänden nicht trivial. Die Dichte der Flüssigkeiten ist dann nicht homogen, sondern variiert nahe der Wände, d.h. in einigen Bereichen ist sie größer und in anderen kleiner. Diese Eigenschaft kann in makroskopischen Systemen mittels Manipulation durch Laser ebenfalls erreicht werden. Die Richtung und die Stärke der Kraft, die der Laser auf die Flüssigkeit ausübt, hängt von der Position der Teilchen ab, so dass das Dichteprofil gezielt kontrolliert werden kann. Im gegenwärtigen Projekt werden wir eine ähnliche Kraft in theoretischen und simulierten Modellen berücksichtigen, um damit Dichteprofile eingeschlossener Flüssigkeiten zu reproduzieren. Unsere Ergebnisse werden dann mit Experimenten vergleichen, um wertvolle Erkenntnisse über Flüssigkeiten mit variierender Dichte zu erlangen und damit das Verständnis von Flüssigkeiten in beschränkter Geometrie zu erweitern.

In vielen industriellen Anwendungen werden Flüssigkeiten auf kleine Räume eingeschränkt, beispielsweise kommen Schmiermittel in den Zwischenräumen harter Komponenten in Maschinen zum Einsatz. Weitere Beispiele derartiger Einschränkungen sind Flüssigkeiten in porösen Gesteinen, wie im Prozess der Rohölextraktion, oder in biologischen Systemen, wie die Gelenkflüssigkeit in den Kniegelenken. In diesen eingeschränkten Geometrien unterscheiden sich die Eigenschaften von Flüssigkeiten fundamental von denen einer identischen Flüssigkeit in einem größeren, makroskopischen Volumen. So ist beispielsweise die Viskosität einer Flüssigkeit signifikant erhöht und die rheologischen Eigenschaften verändern sich drastisch. Für Flüssigkeiten, die zwischen zwei parallelen Wänden eingesperrt sind, weist deren Struktur zwei besonders auffallende Eigenschaften auf. Die erste ist ein äußerst komplizierter Zusammenhang zwischen der lokalen Ordnung der Teilchen und dem Grad der Einschränkung durch die Wände. Die zweite bemerkenswerte Eigenschaft ist, dass die Dichte nicht homogen ist, sondern nahe den Wänden variiert, d.h. sie ist in einigen Bereichen größer als in anderen: die Teilchen neigen dazu, sich an den Wänden anzuhäufen. Eine kritische Frage für das Verständnis von Flüssigkeiten in eingeschränkter Geometrie ist daher, herauszufinden, ob diese beiden Eigenschaften intrinsisch miteinander verbunden sind. Um beide Eigenschaften voneinander zu trennen, haben wir eine Methode entwickelt, die es erlaubt, Flüssigkeiten zu studieren, die zwar eingeschränkt sind, jedoch keine Anhäufungen der Dichte aufweisen. Dies wurde erreicht, indem die Flüssigkeit auf die Oberfläche eines vierdimensionalen Zylinders eingeschränkt wurde. Obwohl derartige quasi-eingeschränkte Flüssigkeiten nicht im Labor realisiert werden können, kann man wertvolle Einsichten durch Computersimulationen und Theorien gewinnen. Wir haben herausgefunden, dass der Grad der Ordnung derartig eingeschränkter Flüssigkeiten ähnliches nichtmonotones Verhalten aufweist, wie eine Flüssigkeit, die zwischen zwei Wänden eingeschränkt ist, obwohl in unserem Fall nun die Dichte homogen ist. Die Effekte sind im Großem und Ganzem jedoch deutlich kleiner. Um sich der Frage von einer anderen Perspektive zu nähern, haben wir artifiziell das Dichteprofil in einem makroskopischen System kontrolliert. Dort zeigt sich dann, dass der Grad der Ordnung des Systems eine starke Abhängigkeit von der modulierenden Wellenlänge hat. Das bedeutet, dass sowohl die Einschränkung selbst als auch die Modulation der Dichte der Ursprung des komplexen Zusammenhangs zwischen Teilchenordnung und der Dimension der Einschränkung in realen eingeschränkten Flüssigkeiten ist. Der Grad der Ordnung der Teilchen bestimmt direkt die Tendenz einer Flüssigkeit einen Übergang zum Glass zu untergehen, also von flüssigem zu festem Verhalten überzugehen. Das bessere Verständnis der Teilchenordnung und der Dichtemodulation, welches wir in diesem Projekt erzielen konnten, könnte in der Zukunft dafür verwendet werden, eingeschränkte Flüssigkeiten mit speziellen wünschenswerten Eigenschaften zu designen. Beispielsweise könnte man die Oberfläche der einschränkenden Wände derart einstellen, dass sich ein bestimmtes Dichteprofil einstellt, welches dann wiederum gewählt werden kann, dass der Grad der Ordnung minimal wird. Dies hätte Potential um die Wirksamkeit von Schmiermitteln zu verbessern.