Schwebender Staub

Mikropartikel in Plasmen entmischen sich bereits bei aller­kleinsten Ladungs­unterschieden. Das konnten Physiker der Ernst-Moritz-Arndt-Universität Greifswald und der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) nun in einem Experiment unter Schwere­losigkeits­bedingungen demonstrieren. Das Verhalten staub­haltiger Plasmen interessiert nicht nur die Grundlagen­forscher, sondern ist auch für immer mehr technologische Anwendungen von großer Bedeutung.

Aus der Alltagserfahrung wissen wir, dass sich Wasser und Öl nicht vermischen. In ähnlicher Weise tendieren Systeme aus zwei Sorten geladener Partikel dann zur Entmischung, wenn der Ladungs­unterschied zwischen beiden Sorten eine bestimmte Größe überschreitet. Die Wissenschaftler wollten die Frage klären, wie solche Entmischungs­vorgänge auf mikro­skopischer Ebene ablaufen.

Carsten Killer, Michael Himpel und André Melzer aus dem Institut für Physik der Universität Greifswald haben zusammen mit Tim Bockwoldt, Stefan Schütt und Alexander Piel von der Universität Kiel Experimente auf Parabel­flügen durchgeführt, bei denen „binäre“ Mischungen aus zwei unterschiedlich großen Partikel­sorten untersucht werden. Während der Schwere­losigkeits­phase werden diese „Staub­teilchen“ in eine Plasma­umgebung eingebracht, wo sie eine dichte Wolke bilden.

Im Plasma erhalten die beiden Partikelsorten entsprechend ihres Größen­unterschieds eine leicht unterschiedliche elektrische Ladung. Bereits Ladungs­differenzen von weniger als drei Prozent führten zu einer unerwarteten räumlichen Trennung der beiden Sorten innerhalb der Wolke – etwa wie bei Wasser und Öl. Das Besondere an diesem Experiment ist eine neuartige Methode, die es ermöglicht, den Entmischungs­prozess auf der Ebene einzelner Partikel zu beobachten. Da die Mikro­partikel mit herkömmlichen Mess­techniken nicht zu unterscheiden sind, markierten die Forscher eine Sorte mit Fluoreszenz­farbstoffen, die sich unter Laser­beleuchtung von der unmarkierten Partikel­sorte optisch abheben.

Während unter normalen Schwerkraftbedingungen eine Entmischung der zwei Staub­sorten aufgrund der unter­schiedlichen Gravitations­kräfte zu erwarten ist, war die Beobachtung der Trennung unter Schwere­losigkeit überraschend, sagt Carsten Killer: „Wir haben herausgefunden, dass die durch das Plasma hervorgerufenen, elektro­statischen Kräfte für die Entmischung verantwortlich sind.“

Die Entmischung von geladenen Partikeln ist zum Beispiel bei der Herstellung von Metall­legierungen und auch in der Biologie (Mikrofluidik) relevant, wo mikroskopische Objekte wie Zellen oder Viren für diagnostische Zwecke ver- oder entmischt werden können. „Die hier untersuchten partikel­haltigen Plasmen bilden ein hervor­ragendes Modell­system, um die Dynamik geladener Partikel auf mikro­skopischer Ebene zu untersuchen. Das könnte industrielle und bio­technologische Prozesse zukünftig verbessern“, ordnet Tim Bockwoldt die Forschungsergebnisse ein.

U. Greifswald / DE