Was ist hier abgebildet?

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(a) Verteilung von Kugeln

(b) Spannungen im Kristall

(c) Magnetische Domänen

 Abb.: Das Diagramm veranschaulicht die unterschiedliche Verteilung von trockenen Kugeln auf einem Schwenktisch während der Rotation. Je stärker die Rot- und Brauntöne, desto dichter lagern sich die Kugeln aneinander. Blaue und grüne Bereiche stehen für eine geringe Dichte. (Bild: Universität Bayreuth)

Die Eigenschaften und Verhaltensweisen granularer Materie zu berechnen und in physikalischen Modellen abzubilden, ist eine wissenschaftliche Herausforderung, an der weltweit gearbeitet wird. Bei granularer Materie handelt es sich um eine Substanz, die aus festen Partikeln zusammengesetzt ist. Typische Beispiele sind Sandhaufen, Staubwolken, Dünen oder Lawinen, aber auch Industrieprodukte wie Kies, Zement, Streusalz, Zucker oder Waschpulver. Innerhalb granularer Materie hat jeder einzelne Partikel viele Möglichkeiten, mit benachbarten Partikeln in Wechselwirkung zu treten. Daher sind die Eigenschaften und Verhaltensweisen beispielsweise von Sand- oder Kieshaufen wandlungsfähig und vielfältig. Derartige Mengen können sich wie Festkörper verhalten, aber auch wie Flüssigkeiten – je nachdem, auf welchen Wegen Bewegungsenergie und Wärme sich darin ausbreiten. Sogar ein gasähnliches Verhalten lässt sich, beispielsweise in den Wolken eines Sandsturms, beobachten.

Ein Forscherteam um Ingo Rehberg von der Universität Bayreuth hat kürzlich einen Beitrag zum besseren Verständnis der Prozesse geliefert, die sich beim Übergang von einem festförmigen in einen flüssigartigen Zustand innerhalb granularer Materie abspielen. Die Forscher arbeiteten dazu unter anderem mit einem Schwenktisch, bei der sich kleine Glaskugeln auf einer Schale befinden. Die Schale wird in eine horizontale Rotation versetzt, wobei alle Punkte auf der Schale exakt die gleichen Bewegungen vollziehen. Dadurch ist sichergestellt, dass jeder Kugel die gleiche kinetische Energie mitgeteilt wird, wenn sie entweder mit einer anderen Kugel oder mit dem Rand der Schale zusammenstößt. Die konstante Energiezufuhr durch die kreisförmigen Rotationsbewegungen bewirkt, dass die Kugeln in Vibration geraten und sich von einem kritischen Punkt an nicht mehr wie eine feste, sondern wie eine flüssige Materie verhalten. Eine über der Schale befestigte Hochgeschwindigkeitskamera verfolgt die Bewegungen der Glaskugeln. Mit dieser lassen sich Änderungen in der Weise, in der sich die Kugeln fortbewegen beobachten. Bei geringer Anzahl formen sie eine Schlange, die sich am Rand der Schale parallel zu den Rotationen des Schwenktisches vorwärts bewegt. Werden weitere Kugeln hinzugefügt, bilden sich Cluster; die Bewegung verlangsamt sich, ändert aber nicht ihre Richtung. Falls aber die Dichte dieser Cluster durch zusätzliche Kugeln weiter zunimmt, wird ein kritischer Punkt erreicht, an dem die Bewegungsrichtung umschlägt: Die Cluster geraten dann plötzlich in eine Bewegung, die gegenläufig zu den Rotationen des Schwenktisches verläuft.

Universität Bayreuth/MH