Die Nichtgleichgewichtsphysik der kolloidalen Sedimentation

Albert Einstein, der Vater der Relativitätstheorie, war auch der Held einer anderen großen wissenschaftlichen Entdeckung: Der Brownsche Bewegung. Es handelt sich um die ungeordnete Bewegung kleiner Teilchen - sogar kleiner als ein Hundertstel des Durchmessers eines Haares - im Inneren einer Flüssigkeit (z.B. Wasser). Dank Einstein und seinen Zeitgenossen wissen wir heute, dass diese Teilchen unablässig von den Molekülen der Flüssigkeit angestoßen werden und sich daher in größerem Umfang scheinbar zufällig bewegen. Eines der entscheidenden Experimente zur Bestätigung dieser Molekularhypothese wurde von Jean Perrin durchgeführt. Er erkannte, dass diese molekularen Zusammenstöße so stark sind, dass sich die Teilchen nicht alle am Boden eines Behälters ansammeln, sondern eine gleichmäßigere Verteilung bewirken: mehr Teilchen am Boden und eine abnehmende, aber nicht zu vernachlässigende Anzahl, die sich im Rest des Behälters nach oben bewegen. Dies ist das so genannte Sedimentationsprofil, für dessen Messung Perrin 1926 den Nobelpreis für Physik erhielt. Während der Bildung des Profils bewegt sich jedes Teilchen auf faszinierende und scheinbar zufällige Weise, nicht nur aufgrund der Brownschen Bewegung, sondern auch, weil es die Bewegung der umgebenden Teilchen spürt, so wie jedes Teilchen in einer plötzlich umgedrehten Schneekugel wandert und seine Richtung ändert. Trotz der umfangreichen Untersuchungen, die im letzten Jahrhundert durchgeführt wurden, wissen wir immer noch nicht, wie wir die Fluktuationen bei der Bildung des Profils erklären und kontrollieren können. Die Gewinnung dieses Wissens wäre sowohl grundlegendend als auch für Anwendungen wichtig, da die Sedimentation ein sehr häufiger Prozess ist, der in der natürlichen Umwelt spontan auftritt und in vielen industriellen Anwendungen wie der Wasseraufbereitung oder der Weinherstellung genutzt wird. In diesem Projekt werden wir in die Fußstapfen von Einstein und Perrin treten und neuartige quantitative Mikroskopie-Ansätze mit fortschrittlichen Computersimulationen kombinieren, um die Vielfalt des Sedimentationsprozesses in Modellproben, die in unserem Labor in geeigneter Weise hergestellt werden, in allen Einzelheiten zu erfassen. Der Kerngedanke unserer Experimente besteht darin, die klassischen seitlichen Beobachtungen der Probe mit Beobachtungen "von oben" zu kombinieren. Auf der Grundlage früherer theoretischer Arbeiten gehen wir davon aus, dass diese neue Beobachtungsgeometrie das fehlende Stück zum Verständnis der bei der Sedimentation auftretenden Fluktuationen liefern wird. Neben der Beantwortung grundlegender offener Fragen wird unser Projekt neuartige optische Werkzeuge für die akademische Forschung und die Industrie zur Verfügung stellen. Einige unserer Experimente werden auch an Bord der Internationalen Raumstation durchgeführt, wo wir unsere Studien sowohl in Mikrogravitation als auch unter kontrollierten Bedingungen künstlicher Schwerkraft durchführen können. Dr. Enrico Lattuada,Univ.-Prof. Dr. Roberto Cerbino,

Stellen Sie sich vor, Sie lassen eine Handvoll Sand in ein Glas Wasser rieseln. Zunächst wirbelt der Sand umher, aber schließlich setzt er sich am Boden ab. Dieser einfache Vorgang offenbart eine faszinierende Welt der Physik, die Wissenschaftler seit über einem Jahrhundert fasziniert hat. Albert Einstein, berühmt für seine Relativitätstheorie, half auch zu erklären, warum winzige Partikel in Flüssigkeiten nicht einfach direkt auf den Boden sinken. Es stellt sich heraus, dass diese Partikel ständig von noch kleineren Wassermolekülen gestoßen werden, wodurch sie unaufhörlich einen Tanz vollführen, welchen wir als Brown'sche Bewegung bezeichnen. Dieser mikroskopische Tanz schafft ein empfindliches Gleichgewicht mit der Schwerkraft, welches dazu führt, dass mehr Partikel in der Nähe des Bodens sind, obgleich Einige es schaffen, höher oben suspendiert zu bleiben. Stellen Sie sich nun vor, Sie schütteln eine Schneekugel. Die wirbelnden Flocken setzen sich schlussendlich ab, aber nicht alle auf einmal. Sie entfernen und nähern sich, stoßen manchmal zusammen und schaffen während ihres Falls komplexe Muster. Ähnlich interagieren Partikel in einer Flüssigkeit auf komplexe Weise, wenn sie sich absetzen, und beeinflussen dabei gegenseitig ihre Bahnen. Obwohl wir diesen Prozess schon lange kennen, gibt es noch viel zu verstehen, wie genau sich diese Partikel bewegen und absetzen. Dies zu verstehen befriedigt nicht nur die wissenschaftliche Neugier; es gibt viele reale Anwendungen, von der Reinigung von Trinkwasser bis hin zur Herstellung des perfekten Weins. Unser Team hat sich vorgenommen, mehr über dieses offene Problem zu erfahren. Wir haben ein spezielles Mikroskop verwendet, um Partikel zu beobachten, nachdem sie sich abgesetzt hatten, fast so, als würden wir sie von oben ausspionieren, und wir haben die komplexe kollektive Bewegung der Partikel untersucht. Zu diesem Zweck haben wir ein leistungsstarkes Computerprogramm erstellt, das in der Lage ist, lange Mikroskopievideos in Sekunden statt in Stunden zu verarbeiten. Wir haben dieses Werkzeug frei verfügbar gemacht, in der Hoffnung, dass es anderen Wissenschaftler:innen und Industrien hilft, Entdeckungen darüber zu machen, wie sich Partikel in Flüssigkeiten verhalten.