News: Trockene Physik
Verdunstet die flüssige Komponente einer Suspension aus Nanopartikeln, bleiben häufig bizarre Muster zurück, die ein wenig an die verschiedenen Spielarten abstrakter Kunst erinnern. Im Rahmen einer Computersimulation auf einer Art molekularen Schachbretts ließen sich nun die Regeln der Strukturbildung nachspielen.
© (Ausschnitt)
Trocknet ein feuchter Lehmboden aus, bleibt ein spröder Grund zurück, der häufig ein wirres Muster aus Rissen aufweist. Was im Großen gilt, findet auch im Kleinen seine Entsprechung. Denn auch wenn bei einem Gemisch aus Nanopartikeln und einer Flüssigkeit der flüchtige Bestandteil verdunstet, bleiben winzige Klümpchen des Nanomaterials zurück und bilden je nach Lösungsmittel, Art der festen Komponente und Zeit eine mehr oder weniger zerfurchte Landschaft bizarrer Muster. Was bestimmt das Aussehen dieser Strukturen?
Um das genau zu erforschen, rühren Wissenschaftler nicht nur Suspensionen aus unterschiedlichen Ingredienzien an, um sie wenig später verdunsten zu lassen, auch Computersimulationen sollen helfen, die offenen Fragen zu beantworten. Ein vergleichsweise einfaches und dennoch mächtiges Modell, die Strukturbildung zu beschreiben, stellen nun Chemiker um Eran Rabani von der Tel Aviv University vor.
Dazu betrachten die Wissenschaftler den Vorgang rein theoretisch auf einer Art Schachbrettmuster. Auf jedem Kästchen kann dabei entweder genau ein Molekül des Lösungsmittel sitzen oder eben nicht. Natürlich haben auch Nanopartikel auf dem Spielplan ihren Platz, nehmen jedoch aufgrund ihrer Größe etwas mehr Raum, also mehrere Felder ein. Auf Feldern, wo sich bereits ein Nanopartikel ausbreitet, kann kein Molekül der Flüssigkeit mehr verweilen. Gleiches gilt auch umgekehrt. Soweit so gut, fehlt nur noch etwas Dynamik in dem Modell.
Um Leben in das Spiel zu bringen, gestatten die Forscher den Flüssigkeitsmolekülen zu verschwinden und anderer Stelle wieder aufzutauchen – verdunsten und kondensieren also –, sodass die Moleküldichte ständig fluktuiert. Den Nanopartikeln erlauben sie indes, sich über das Schachbrett zu bewegen. Dabei sind in dem Modell im Vorfeld Anziehungskräfte zwischen Nanopartikeln untereinander, zwischen den Molekülen sowie zwischen den unterschiedlichen Beteiligten zu definieren. Schließlich gehen in die Simulation noch zwei thermodynamische Größen ein: die Temperatur und das chemische Potential – eine intensive (von der Systemgröße unabhängige) Zustandsgröße, die bei Systemen veränderlicher Teilchenzahl, den Energiegewinn durch eine Erhöhung der Teilchenzahl beschreibt.
Mit diesen Vorgaben kann die Simulation von Verdunstungsvorgängen beginnen. Zufällig ausgewählte Schachbrettfelder haben je nach Besetzung und nach den Regeln dieser Monte-Carlo-Methode die Chance, ihr Molekül verdunsten oder einen Nanopartikel wandern zu lassen. Und siehe da, läuft die Simulation nur lang genug, dann liefert das Modell erstaunlich gute Übereinstimmungen zu experimentellen Ergebnissen. Je nach simulierter Zeit und Parametern ergeben sich genau die gleichen Inselchen, Rissstrukturen und fraktalen Muster, die Experimentatoren schon seit langem bewundern. Sogar Muster, die bislang noch nicht in der Realität zu beobachten sind, formen sich auf dem Bildschirm.
Damit geben die Forscher um Rabani der experimentellen Zunft ein mächtiges Werkzeug an die Hand, neue Strukturen zunächst in der Simulation zu erkunden, bevor Versuche im Labor beginnen.
Um das genau zu erforschen, rühren Wissenschaftler nicht nur Suspensionen aus unterschiedlichen Ingredienzien an, um sie wenig später verdunsten zu lassen, auch Computersimulationen sollen helfen, die offenen Fragen zu beantworten. Ein vergleichsweise einfaches und dennoch mächtiges Modell, die Strukturbildung zu beschreiben, stellen nun Chemiker um Eran Rabani von der Tel Aviv University vor.
Dazu betrachten die Wissenschaftler den Vorgang rein theoretisch auf einer Art Schachbrettmuster. Auf jedem Kästchen kann dabei entweder genau ein Molekül des Lösungsmittel sitzen oder eben nicht. Natürlich haben auch Nanopartikel auf dem Spielplan ihren Platz, nehmen jedoch aufgrund ihrer Größe etwas mehr Raum, also mehrere Felder ein. Auf Feldern, wo sich bereits ein Nanopartikel ausbreitet, kann kein Molekül der Flüssigkeit mehr verweilen. Gleiches gilt auch umgekehrt. Soweit so gut, fehlt nur noch etwas Dynamik in dem Modell.
Um Leben in das Spiel zu bringen, gestatten die Forscher den Flüssigkeitsmolekülen zu verschwinden und anderer Stelle wieder aufzutauchen – verdunsten und kondensieren also –, sodass die Moleküldichte ständig fluktuiert. Den Nanopartikeln erlauben sie indes, sich über das Schachbrett zu bewegen. Dabei sind in dem Modell im Vorfeld Anziehungskräfte zwischen Nanopartikeln untereinander, zwischen den Molekülen sowie zwischen den unterschiedlichen Beteiligten zu definieren. Schließlich gehen in die Simulation noch zwei thermodynamische Größen ein: die Temperatur und das chemische Potential – eine intensive (von der Systemgröße unabhängige) Zustandsgröße, die bei Systemen veränderlicher Teilchenzahl, den Energiegewinn durch eine Erhöhung der Teilchenzahl beschreibt.
Mit diesen Vorgaben kann die Simulation von Verdunstungsvorgängen beginnen. Zufällig ausgewählte Schachbrettfelder haben je nach Besetzung und nach den Regeln dieser Monte-Carlo-Methode die Chance, ihr Molekül verdunsten oder einen Nanopartikel wandern zu lassen. Und siehe da, läuft die Simulation nur lang genug, dann liefert das Modell erstaunlich gute Übereinstimmungen zu experimentellen Ergebnissen. Je nach simulierter Zeit und Parametern ergeben sich genau die gleichen Inselchen, Rissstrukturen und fraktalen Muster, die Experimentatoren schon seit langem bewundern. Sogar Muster, die bislang noch nicht in der Realität zu beobachten sind, formen sich auf dem Bildschirm.
Damit geben die Forscher um Rabani der experimentellen Zunft ein mächtiges Werkzeug an die Hand, neue Strukturen zunächst in der Simulation zu erkunden, bevor Versuche im Labor beginnen.
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