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Saarbrücker Physik-Professor gewinnt gemeinsam mit Max-Planck-Forschern tiefe Einblicke in die Struktur feuchter Granulate
Wer am Strand Sandburgen bauen möchte, braucht zwar Geschick, aber er muss sich nicht um den Wassergehalt kümmern. Dieser ist nämlich für die mechanischen Eigenschaften des Sandes weitgehend unwichtig. Die mechanische Steifigkeit des nassen Sandes bleibt in einem Feuchtigkeitsbereich von weniger als einem bis weit über zehn Prozent praktisch konstant, obwohl sich die flüssige Struktur in seinem Innern enorm verändert - ein Rätsel auch für Forscher. Der Saarbrücker Professor für Experimentalphysik, Dr. Ralf Seemann, hat mit Hilfe von Röntgen-Mikrotomographie die Gesetzmäßigkeit flüssiger Strukturen in feuchten Granulaten entschlüsselt. An der Arbeit beteiligt waren auch Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen, der "Australia National University" in Canberra, der Universität Erlangen sowie dem ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) in Grenoble. Das Ergebnis wird in der Märzausgabe der angesehenen Wissenschaftszeitschrift "Nature Materials" veröffentlicht.
Die Röntgen-Mikrotomographie entspricht der Computertomographie in der Medizin. Dabei wird ein Objekt aus verschiedenen Winkeln geröntgt, es entsteht ein Schattenbild, das wie eine gewöhnliche Röntgen-Aufnahme aussieht. Ein Computer errechnet, welche dreidimensionale Struktur das Objekt haben muss, um solche Schatten zu werfen. Die hochkomplexen flüssigen Strukturen, die sich in einem feuchten Granulat (wie etwa in einer Sandburg) bilden, werden sichtbar.
Die Forscher fanden anhand der Aufnahmen heraus, dass Flüssigkeit das Granulat nicht vollständig durchsetzt. Es ist immer noch Luft in den Zwischenräumen vorhanden. Die Flüssigkeit, im Falle der Sandburg also das Wasser, benetzt vor allem die Kontaktstellen, an denen sich die Sandkörner berühren. Der leere Raum dazwischen füllt sich mit Luft.
Prof. Seemann stellte gemeinsam mit den anderen Wissenschaftlern fest, dass die Gebilde aus Körnern, Wasser und Luft alle den gleichen Druck haben und dass dieser unabhängig vom Flüssigkeitsgehalt ist. Der gleiche Druck erzeugt eine gleiche Kraft im Inneren und führt so zu gleichen mechanischen Eigenschaften des Granulats.
Diese Erkenntnis ist nicht nur wichtig für Spielereien, wie das Bauen von Sandburgen, sondern beispielsweise auch relevant für das Verständnis mancher Naturkatastrophen wie Erdrutsche.
Prof. Dr. Ralf Seemann ist Professor für Experimentalphysik an der Universität des Saarlandes. Seine Arbeitsgruppe beschäftigt sich vor allem mit der Geometrie fluider Grenzflächen.
Originalveröffentlichung: M. Scheel, R. Seemann, M. Brinkmann, M. DiMichiel, A. Sheppard, B. Breidenbach, S. Herminghaus: Morphological clues to wet granular pile stability; in: Nature Materials; Märzausgabe 2008
Kontakt:
Prof. Dr. Ralf Seemann
Tel. 0681/302-3202
E-Mail: r.seemann@physik.uni-saarland.de
http://www.nature.com/nmat/index.html
Criteria of this press release:
Mathematics, Physics / astronomy
regional
Research results
German
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