Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Einblicke in zerknülltes Papier

06.04.2006


In ihrer Computersimulation interessierte Dr. Gerrit Vliegenthart und Prof. Gerhard Gompper besonders die Steifigkeit und der Widerstand beim Zernknüllen von dünnen Folien zu kugelförmigen Gebilden. Einen wesentlichen Beitrag dazu liefern die
Kontaktflächen, die zwischen verschiedenen Bereichen der Folie entstehen. Bilder: Forschungszentrum JülichGompper vom Institut für Festkörperforschung

Dr. Gerrit Vliegenthart und Prof. Dr. Gerhard Gompper vom Forschungszentrum Jülich haben ein Computer-Modell entwickelt, um die strukturellen und mechanischen Eigenschaften von dünnen elastischen Folien zu untersuchen, die auf engem Raum zusammengedrückt werden. Im März-Heft der wissenschaftlichen Zeitschrift Nature Materials berichten sie, wie die Anzahl der dabei entstehenden Falten drastisch anwächst, wenn das Blatt Papier durch äußere Kräfte immer stärker komprimiert wird, und wie gleichzeitig die Steifigkeit des zerknüllten Papiers mit zunehmender Kompression stark ansteigt. Abgesehen von den direkten Anwendungen der Ergebnisse dieser Simulationen für makroskopische Materialien wie Papier, Aluminiumfolie und Autobleche werfen die Rechnungen auch ein neues Licht auf die grundlegenden mechanischen Eigenschaften dünner Schichten im mikroskopischen Bereich, wie der Proteinhülle von Viren, nanoskaliger Lehmplättchen und der Plasmamembran biologischer Zellen.

Es ist kaum vorstellbar, dass es Menschen auf der Welt gibt, die noch nie ihrem Leben ein Stück Papier oder eine Getränkedose in ihren Händen zerknäuelt oder zerdrückt haben. Um so erstaunlicher, dass bisher nur ein relativ geringes fundamentales Verständnis des „Krumplungsvorgangs’’ existiert. Dabei gelten die Konzepte, die für die makroskopischen Beispiele wie Papier, Aluminiumfolie und die Metallbleche eines Autos entwickelt werden, ebenso auch für die Verformung von mikroskopisch kleinen und dünnen Schichten, mit großer biologischer oder technischer Relevanz.

... mehr zu:
»Falte »Folie »Kompression »Packungseffekt

Wenn ein Stück Papier in den Händen zerknüllt und danach wieder beinahe glattgestrichen wird, dann wird ein faszinierendes Muster von Falten sichtbar. Einzelne Falten sind in den letzten Jahren auf der Grundlage einer Theorie der Verformung dünner Platten – entwickelt vom ungarischen Physiker Theodore von Kármán (1881-1963) – und mit Hilfe von Computer-Simulationen intensiv untersucht worden. Die Eigenschaften einzelner Falten sind daher inzwischen recht gut verstanden. Darauf aufbauend wurden verschiedene Vorschläge gemacht, wie die elastischen Eigenschaften einer geknäuelten Folie verstanden werden könnten. Dazu wurde angenommen, dass die elastischen Eigenschaften einer glatten Folie – ihr Widerstand gegenüber Biegung und Scherung – ausreichend sind, um die mechanischen Eigenschaften eines Papierknäuels zu beschreiben.

In ihrer Computersimulation interessierte Dr. Gerrit Vliegenthart und Prof. Gerhard Gompper besonders die Steifigkeit und der Widerstand beim Zernknüllen von dünnen Folien zu kugelförmigen Gebilden. Einen wesentlichen Beitrag dazu liefern die Kontaktflächen, die zwischen verschiedenen Bereichen der Folie entstehen. Bilder: Forschungszentrum Jülich

Im März-Heft der renomierten Zeitschrift Nature Materials haben die Jülicher Forscher, G. Vliegenthart und G. Gompper vom Institut für Festkörperforschung, jedoch gezeigt, dass sowohl das Faltenmuster eines Papierknäuels als auch der Faltungsprozess selbst sich drastisch ändern, wenn zusätzlich zu den elastischen Materialeigenschaften der Folie auch Packungseffekte berücksichtigt werden. Packungseffekte entstehen aufgrund der Tatsache, dass verschiedene Teile eines Stücks Papier sich nicht gegenseitig durchdringen können, und sind daher bei jedem echten Material unvermeidbar. Die theoretische Behandlung der Packungseffekte dünner elastischer Folien ist jedoch extrem schwierig; ihre Untersuchung in Computer-Modellen wurde erst jetzt mit der Verfügbarkeit genügend leistungsfähiger Computer, wie den Jülicher Supercomputern JUMP und JUBL, möglich. Mit Hilfe von umfangreichen Computer-Simulationen gelang es Vliegenthart und Gompper erstmals, die verschiedenen Formen zu verfolgen, die beim Zerknäueln einer Folie mit unterschiedlichen Kompressionskräften entstehen und durchlaufen werden.

Diese Formen reichen von kegelähnlichen Strukturen, die bei geringen Kompressionskräften auftreten, bis zu dicht gepackten Knäueln bei starken Kräften. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Beziehung zwischen Kraft und Kompression sehr stark von Packungseffekten beeinflusst wird, die zu einer erheblichen Versteifung des Knäuels führen (im Vergleich zum bisherigen Modell der fiktiven „Phantomfolien“, die sich selbst durchdringen können).

Bemerkenswerterweise spielen Packungseffekte bei dünnen Folien bereits bei extrem geringen Packungsdichten eine wichtige Rolle – im Gegensatz zu Suspensionen von Nanoteilchen oder Makromolekülen, wo Packungseffekte normalerweise erst bei hohen Konzentrationen auftreten. Durch die Ausnutzung der einzigartigen Möglichkeiten die Computer-Simulationen bieten, konnten Vliegenthart und Gompper untersuchen wie der Zusammenhang von Kraft und Kompression von der Form des Behälters und der Kraftrichtung abhängt. Auf der Grundlage der Simulationsergebnisse können neuere experimentelle Ergebnisse für die Kompression in einer zylinderförmigen Röhre quantitativ erklärt werden. Schließlich gelang es Vliegenthart und Gompper zu zeigen, dass Packungseffekte zu einer starken Zunahme in der Anzahl kleiner Faltenlängen führen und dass in einem zerkläuelten Papier sehr unterschiedliche Faltenlängen auftreten. Diese Ergebnisse sind in guter Übereinstimmung mit jüngsten Experimenten.

Lit.: Crumpling a thin elastic sheet, G.A. Vliegenhathart and G. Gompper, Nature Materials 5, 216-221, 2006 Online unter: http://www.nature.com/nmat/journal/v5/n3/full/nmat1581.html Zugehöriger Kommentar: http://www.nature.com/nmat/journal/v5/n3/full/nmat1599.html Pressekontakt: Kosta Schinarakis, Wissenschaftsjournalist, Öffentlichkeitsarbeit, Forschungszentrum Jülich Tel. 02461 61-4771, Fax 02461 61-4666, E-Mail: k.schinarakis@fz-juelich.de

Das Forschungszentrum Jülich ist das größte multidisziplinäre Forschungszentrum in Europa. Seine Themen spiegeln die großen Herausforderungen der Gesellschaft wider: Versorgung mit Energie, Schutz der Umwelt, Umgang mit Information sowie Erhalt von Gesundheit. Jülicher Wissenschaftler arbeiten in den Disziplinen Physik, Chemie, Biologie, Medizin und Ingenieurwissenschaften. Langfristige, grundlagenorientierte und fächerübergreifende Beiträge zu Naturwissenschaft und Technik werden ebenso erarbeitet wie konkrete technologische Anwendungen für die Industrie. Das 1956 gegründete Forschungszentrum Jülich ist Mitglied der Hermann von Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren.

Kosta Schinarakis | Forschungszentrum Jülich
Weitere Informationen:
http://www.fz-juelich.de/portal/angebote/pressemitteilungen

Weitere Berichte zu: Falte Folie Kompression Packungseffekt

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Neue Biotinte für den Druck gewebeähnlicher Strukturen
19.10.2017 | Forschungszentrum Jülich, Jülich Centre for Neutron Science

nachricht Was winzige Strukturen über Materialeigenschaften verraten
19.10.2017 | Ruhr-Universität Bochum

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung

Seit dreißig Jahren gibt eine bestimmte Uranverbindung der Forschung Rätsel auf. Obwohl die Kristallstruktur einfach ist, versteht niemand, was beim Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur genau passiert. Offenbar entsteht eine so genannte „versteckte Ordnung“, deren Natur völlig unklar ist. Nun haben Physiker erstmals diese versteckte Ordnung näher charakterisiert und auf mikroskopischer Skala untersucht. Dazu nutzten sie den Hochfeldmagneten am HZB, der Neutronenexperimente unter extrem hohen magnetischen Feldern ermöglicht.

Kristalle aus den Elementen Uran, Ruthenium, Rhodium und Silizium haben eine geometrisch einfache Struktur und sollten keine Geheimnisse mehr bergen. Doch das...

Im Focus: Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik: Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus, kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1700232

„Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt daran, dass er für eine optimale...

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Im Focus: Neue Möglichkeiten für die Immuntherapie beim Lungenkrebs entdeckt

Eine gemeinsame Studie der Universität Bern und des Inselspitals Bern zeigt, dass spezielle Bindegewebszellen, die in normalen Blutgefässen die Wände abdichten, bei Lungenkrebs nicht mehr richtig funktionieren. Zusätzlich unterdrücken sie die immunologische Bekämpfung des Tumors. Die Resultate legen nahe, dass diese Zellen ein neues Ziel für die Immuntherapie gegen Lungenkarzinome sein könnten.

Lungenkarzinome sind die häufigste Krebsform weltweit. Jährlich werden 1.8 Millionen Neudiagnosen gestellt; und 2016 starben 1.6 Millionen Menschen an der...

Im Focus: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Das Immunsystem in Extremsituationen

19.10.2017 | Veranstaltungen

Die jungen forschungsstarken Unis Europas tagen in Ulm - YERUN Tagung in Ulm

19.10.2017 | Veranstaltungen

Bauphysiktagung der TU Kaiserslautern befasst sich mit energieeffizienten Gebäuden

19.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Forscher finden Hinweise auf verknotete Chromosomen im Erbgut

20.10.2017 | Biowissenschaften Chemie

Saugmaschinen machen Waschwässer von Binnenschiffen sauberer

20.10.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Strukturbiologieforschung in Berlin: DFG bewilligt Mittel für neue Hochleistungsmikroskope

20.10.2017 | Förderungen Preise