Ludwig-Maximilians-Universität München - 05.02.2016
Biophysik - Entmischende Kollisionen
Ein Mix verschiedener, aber gleich großer Teilchen kann sich wie von Zauberhand selbst entmischen - und zwar dann, wenn eine Teilchenart schneller ist als die andere.
Rüttelt man eine Mischung von unterschiedlich großen Nüssen, dann liegen nach kurzer Zeit die größten Nüsse ganz oben und die kleinsten ganz unten in der Schale. Diese spontane Entmischung von Teilchen unterschiedlicher Größe ist als Paranuss-Effekt bekannt. Man findet dieses Phänomen bei allen granularen Systemen, wenn man sie schüttelt und so zufällige aktive Bewegungen der Teilchen erzeugt. Bei Computersimulationen entdeckten nun der LMU-Physiker Erwin Frey und sein Team zu ihrem Erstaunen, dass sich sogar gleich große Teilchen von selbst sortieren, wenn sie unterschiedlich stark ausgeprägte Zufallsbewegungen ausführen. "Dieses Phänomen, das bisher noch niemand untersucht hatte, konnten wir nun mithilfe unserer Simulationen theoretisch erklären und zeigen, dass das Bewegungsverhalten der Teilchen dabei eine wichtige Rolle spielt", sagt Frey. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin Physical Review Letters.
In Wasser gelöste Teilchen verteilen sich normalerweise gleichmäßig in der
Lösung, wobei ihre Diffusionskonstante - ein Maß für die Beweglichkeit der
Teilchen - von der Temperatur abhängt. In Mischungen im thermischen
Gleichgewicht haben gleich große Teilchen auch die gleiche
Diffusionskonstante. "Uns interessierte, was passiert, wenn die Teilchen
unterschiedliche Diffusionskonstanten haben. Dies ist nur möglich, wenn
die Teilchen aktiv angetrieben werden", sagt Simon Weber, der Erstautor
der Studie. "Wir haben deshalb ein System analysiert, in dem sich die
Teilchen persistent bewegen, es findet also eine unregelmäßige, aber
aktive Bewegung statt. Die sogenannte Persistenzlänge beschreibt dabei die
Strecke, die ein Teilchen in eine Richtung zurücklegt, bevor es in eine
andere Richtung abschwenkt."
Die Simulationen der Wissenschaftler zeigten, dass sich eine Mischung aus schnellen (aktiven) und langsamen (passiven) Teilchen von selbst entmischt, wenn die Persistenzlängen der beteiligten aktiven Teilchen sehr klein sind. Dies wäre etwa bei Bakterien der Fall, die Persistenzlängen haben, die kleiner sind als der Durchmesser des Bakteriums. "Zur Entmischung kommt es, weil die passiven Teilchen von den aktiven immer wieder angestoßen werden", sagt Frey. "Dadurch entsteht eine effektive Anziehung zwischen den passiven Teilchen, die langfristig einen Cluster bilden. Die aktiven Teilchen verteilen sich gleichmäßig um den Cluster und wirken wie eine Art Käfig für die passiven."
Allerdings funktioniert die Entmischung nur bei einer ausreichend großen Teilchenzahl und einem ausreichend großen Unterschied in den Diffusionskonstanten. Außerdem braucht der Effekt viel Zeit: "Einen Raum mithilfe von diffusiver Bewegung zu durchlaufen, dauert sehr lange. Da die passiven Teilchen hauptsächlich durch die Stöße der aktiven Teilchen zu diffusiver Bewegung getrieben werden, schlägt die Langsamkeit der Diffusion sogar doppelt zu", sagt Weber. "Wir vermuten, dass eine Clusterbildung der passiven Teilchen unter anderem deshalb noch nie zuvor beobachtet wurde, weil die entsprechenden Simulationen zu früh abgebrochen wurden." Als nächsten Schritt schlagen die Wissenschaftler vor, die Ergebnisse der Computersimulationen experimentell zu überprüfen. Physical Review Letters 2016
Publikation:
Binary Mixtures of Particles with Different Diffusivities Demix
Simon N. Weber, Christoph A. Weber and Erwin Frey
Physical Review Letters 2015
Kontaktdaten zum Absender der Pressemitteilung unter:
http://idw-online.de/de/institution114
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Quelle:
Informationsdienst Wissenschaft e. V. - idw - Pressemitteilung
Ludwig-Maximilians-Universität München, Luise Dirscherl, 05.02.2016
WWW: http://idw-online.de
E-Mail: service@idw-online.de
veröffentlicht im Schattenblick zum 9. Februar 2016
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