Mikrokugeln imitieren Nanofluide

Regentropfen in einer Wolke, Benzinnebel in einem Autozylinder, Öl in einer Pipeline, aber auch Luft, die wirbellos an einem Auto vorbeiströmt, sind das Terrain der Hydrodynamik. Aber wenn sich eine Luftströmung an einer Karosserie oder hinter einem Flugzeug in Turbulenzen auflöst, versagt sie. Auch Fluide, die bei einer Analyse durch nanoskopische Kanäle auf einem Mikrochip strömen, sollten sich außerhalb des Geltungsbereichs der Hydrodynamik bewegen. Denn das physikalische Verhalten eines Nanotröpfchens sollte viel mehr von seinen Grenzflächen bestimmt werden als es bei einem größeren Tropfen der Fall ist, wo die Kräfte zwischen den Flüssigkeitsteilchen dominieren. "Doch manchmal gilt die Hydrodynamik auch da, wo sie nicht angewendet werden darf", sagt Robert Sütterlin, der an den Arbeiten maßgeblich beteiligt war. Dafür jedenfalls sprechen die Erkenntnisse der Forscher des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik in Garching bei München.

Die Wissenschaftler haben zwar keine nanoskopischen Flüssigkeiten untersucht - die lassen sich im Detail auch kaum studieren -, aber ein sehr gutes Modell für solche Flüssigkeiten, nämlich Komplexe Plasmen. "Wir haben darin Blasen, Tropfen oder Kleckse und Fontänen beobachtet", sagt Mierk Schwabe, die die Experimente vorgenommen hat: "Und wir haben festgestellt, dass sich diese sehr gut mit Phänomenen in makroskopischen Systemen vergleichen lassen." Obwohl die Komplexen Plasmen ein Modell für Nanoflüssigkeiten abgeben und die Hydrodynamik eigentlich nur für größere Flüssigkeitsmengen gilt.

Komplexe Plasmen enthalten wie ein gewöhnliches Plasma, das auch in einer Leuchtstofflampe brennt, positive Edelgasionen, Elektronen und ungeladenes Hintergrundgas. "Komplex" wird das Plasma allerdings erst durch Mikroteilchen, wenige Mikrometer messende Plastikkügelchen, die die Physiker in die Versuchskammer strömen lassen. Auf diese kommt es bei den Experimenten der Physiker an: An die Teilchenoberfläche setzen sich Elektronen, die in Myriaden durch die Versuchskammer des Experiments schwirren. Daher laden sich die Partikel stark negativ auf, so dass sie sich gegenseitig abstoßen. Dabei verhalten sie sich wie die einzelnen Teilchen einer Flüssigkeit oder eines Festkörpers. Allerdings mit einem für Physiker sehr nützlichen Unterschied: Wenn die Mikroteilchen beleuchtet werden, sind sie anders als Wassermoleküle mit bloßem Auge gut sichtbar. Zudem lassen sich ihre Bewegungen mit einer Kamera filmen.

So konnte Mierk Schwabe verfolgen, wie in der Wolke der schwebenden Teilchen Blasen aufstiegen, wenn sie in der Kammer einen bestimmten Gasdruck und einen passenden Temperaturunterschied zwischen Boden und Decke einstellte. In anderen Fällen kräuselte sich die Oberfläche der Wolke zunächst wie die Oberfläche eines Sees im Wind, bis sich schließlich einzelne Tropfen lösten oder kleine Fontänen hervorsprudelten. Und in diesen Tropfen beobachtete Mierk Schwabe, wie die Teilchen in gegenläufigen Wirbeln zirkulieren - auch von Wassertropfen sind solche Zirkulationen bekannt.

Da nichts in der Welt ohne Ursache passiert, suchen Mierk Schwabe und ihre Kollegen eine Kraft, die die Bewegungen - die Physiker sprechen von Störungen und Instabilitäten - in der Teilchenwolke hervorruft. "Bislang können wir dazu nur Vermutungen anstellen", sagt Schwabe: "Möglicherweise übt eine vom thermischen Kriechfluss verursachte Gaskonvektion die treibende Kraft aus." Die Atome des Edelgases kriechen bei niedrigem Druck an der Kammerwand entlang von der kühlen Decke zum heißen Boden. In der Mitte der Kammer können sie dann zurück zur Decke aufsteigen und so die Mikroteilchen in Wallungen bringen.

Alle Phänomene lassen sich mit dieser treibenden Kraft alleine nicht erklären. "Einige unserer Beobachtungen deuten darauf hin, dass Komplexe Plasmen eine Oberflächenspannung besitzen", sagt Schwabe. Die Oberflächenspannung hält einen Tropfen am Wasserhahn, bis sein Gewicht zu groß wird und er abreißt. Sie zieht den Tropfen aber auch zu seiner runden Form zusammen. Verursacht wird sie durch die anziehenden Kräfte zwischen den Wassermolekülen. Die Mikroteilchen eines Komplexen Plasmas ziehen sich aber nicht an, sondern stoßen sich ab.

Hinweise auf eine Oberflächenspannung in Komplexen Plasmen haben bereits andere Physiker gefunden. Erklären können sie das Phänomen bislang aber nicht endgültig. "Möglicherweise verursacht die Ionenreibung die Oberflächenspannung", sagt Mierk Schwabe. "Doch ob es Oberflächenspannung in Komplexen Plasmen überhaupt gibt, wird seit 15 Jahren diskutiert", so Schwabe: "Manche Messungen sprechen dafür, andere dagegen."

Während für die Tropfen, Blasen und Fontänen, die Mierk Schwabe beobachtet hat, auf der Hand lag, sie mit hydrodynamischen Phänomenen zu vergleichen, hat Robert Sütterlin erst im Laufe seiner Untersuchungen festgestellt, dass seine Beobachtungen den atomaren Grenzfall derselben hydrodynamischen Instabilität (Rayleigh-Taylor) darstellen. Nach der Anleitung seines Teams haben russische Kosmonauten auf der Internationalen Raumstation eine Wolke von Mikropartikeln, die im Durchmesser 3,4 Mikrometer messen, in eine Wolke größerer Teilchen, nämlich mit einem Durchmesser von 9,2 Mikrometern, getrieben. "Ungefähr so als würden in einer Fußgängerzone Menschen in entgegengesetzter Richtung aneinander vorbei laufen", sagt Robert Sütterlin.

Wie die Fußgänger in einer nicht allzu dicht gedrängten Fußgängerzone im Gänsemarsch hintereinander her gehen, strömen auch die kleineren Mikropartikel in Linien durch die Wolke der größeren Teilchen, die ihrerseits durch die kleinen Partikel in Reihen gezwungen werden. Diese Linienbildung ist nicht nur von Fußgängerzonen bekannt, sondern auch von Wasser, das über Öl geschichtet wird und dann wegen seiner höheren Dichte fingerartig in das Öl sinkt.

Dass die Linienbildung auf den Aufnahmen, die seine russischen Kollegen von dem Plasmaexperiment an Bord der ISS machten, deutlich zu erkennen ist, reicht Robert Sütterlin jedoch nicht, und würde auch noch keine Einsichten in die Dynamik dieses physikalischen Prozesses bieten. Daher hat Sütterlin in einen Zahlenwert gefasst, wie akkurat sich die Teilchen hintereinander aufreihen. Folgerichtig heißt dieser Wert Ordnungsparameter.

Um den Ordnungsparameter zu ermitteln, setzt der Garchinger Physiker auf jedes Mikroteilchen eine Art mathematischen Radar. Dieses mathematische Instrument erkennt das Muster der Teilchen, also etwa, ob sie Linien bilden. Dazu nutzt der Formalismus die Abstände zwischen einem Teilchen und seinen nächsten Nachbarn, die er aus den Positionen der Teilchen auf einem Videobild des Experiments bestimmt. Außerdem berücksichtigt der Formalismus die Winkel zwischen Linien, die ein Teilchen mit seinen nächsten Nachbarn verbinden.

Mit diesem Werkzeug haben die Wissenschaftler bislang erst einige Sekunden des Experiments analysiert, nämlich wie die Wolke kleiner Teilchen durch jene der größeren Partikel strömt. Die Analyse zeigte, dass die größeren Partikel auch dann noch Anzeichen einer linearen Ordnung zeigen, wenn die Mikropartikel ihre Wolke längst verlassen haben. Mit dem neu entwickelten Instrumentarium werden die Garchinger Forscher nun den Rest des Films untersuchen, den die russischen Kosmonauten von dem Experiment gedreht haben - insgesamt immerhin rund eine halbe Stunde. "Wir haben schon gesehen, dass dabei noch einige interessante Phänomene auftreten", so Robert Sütterlin. Phänomene, die möglicherweise auch neue Erkenntnisse über Nanoflüssigkeiten und Oberflächenspannung in Komplexen Plasmen liefern.

Originalveröffentlichungen: Mierk Schwabe et al.; "Formation of Bubbles, Blobs, and Surface Cusps in Complex Plasmas"; Physical Review Letters, 26. Juni 2009

K. Robert Sütterlin et al.; "Dynamics of Lane Formation in Driven Binary Complex Plasmas"; Physical Review Letters, 27. Februar 2009