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 Europäisches Exzellenzzentrum für Glasforschung
17.03.2017 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

nachricht Vollautomatisierte Herstellung von CAD/CAM-Blöcken für kostengünstigen, hochwertigen Zahnersatz
16.03.2017 | Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen

Eine internationale Forschergruppe mit dem Bayreuther Biochemiker Prof. Dr. Clemens Steegborn präsentiert in 'Science' neue, für die Biomedizin wegweisende Forschungsergebnisse zur Rolle des Moleküls NAD⁺ bei der Korrektur von Schäden am Erbgut.

Die Zellen von Menschen und Tieren können Schäden an der DNA, dem Träger der Erbinformation, bis zu einem gewissen Umfang selbst reparieren. Diese Fähigkeit...

Im Focus: Designer-Proteine falten DNA

Florian Praetorius und Prof. Hendrik Dietz von der Technischen Universität München (TUM) haben eine neue Methode entwickelt, mit deren Hilfe sie definierte Hybrid-Strukturen aus DNA und Proteinen aufbauen können. Die Methode eröffnet Möglichkeiten für die zellbiologische Grundlagenforschung und für die Anwendung in Medizin und Biotechnologie.

Desoxyribonukleinsäure – besser bekannt unter der englischen Abkürzung DNA – ist die Trägerin unserer Erbinformation. Für Prof. Hendrik Dietz und Florian...

Im Focus: Fliegende Intensivstationen: Ultraschallgeräte in Rettungshubschraubern können Leben retten

Etwa 21 Millionen Menschen treffen jährlich in deutschen Notaufnahmen ein. Im Kampf zwischen Leben und Tod zählt für diese Patienten jede Minute. Wenn sie schon kurz nach dem Unfall zielgerichtet behandelt werden können, verbessern sich ihre Überlebenschancen erheblich. Damit Notfallmediziner in solchen Fällen schnell die richtige Diagnose stellen können, kommen in den Rettungshubschraubern der DRF Luftrettung und zunehmend auch in Notarzteinsatzfahrzeugen mobile Ultraschallgeräte zum Einsatz. Experten der Deutschen Gesellschaft für Ultraschall in der Medizin e.V. (DEGUM) schulen die Notärzte und Rettungsassistenten.

Mit mobilen Ultraschallgeräten können Notärzte beispielsweise innere Blutungen direkt am Unfallort identifizieren und sie bei Bedarf auch für Untersuchungen im...

Im Focus: Gigantische Magnetfelder im Universum

Astronomen aus Bonn und Tautenburg in Thüringen beobachteten mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg Galaxienhaufen, das sind Ansammlungen von Sternsystemen, heißem Gas und geladenen Teilchen. An den Rändern dieser Galaxienhaufen fanden sie außergewöhnlich geordnete Magnetfelder, die sich über viele Millionen Lichtjahre erstrecken. Sie stellen die größten bekannten Magnetfelder im Universum dar.

Die Ergebnisse werden am 22. März in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Galaxienhaufen sind die größten gravitativ gebundenen Strukturen im Universum, mit einer Ausdehnung von etwa zehn Millionen Lichtjahren. Im Vergleich dazu ist...

Im Focus: Giant Magnetic Fields in the Universe

Astronomers from Bonn and Tautenburg in Thuringia (Germany) used the 100-m radio telescope at Effelsberg to observe several galaxy clusters. At the edges of these large accumulations of dark matter, stellar systems (galaxies), hot gas, and charged particles, they found magnetic fields that are exceptionally ordered over distances of many million light years. This makes them the most extended magnetic fields in the universe known so far.

The results will be published on March 22 in the journal „Astronomy & Astrophysics“.

Galaxy clusters are the largest gravitationally bound structures in the universe. With a typical extent of about 10 million light years, i.e. 100 times the...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungen

Lebenswichtige Lebensmittelchemie

23.03.2017 | Veranstaltungen

Die „Panama Papers“ aus Programmierersicht

22.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Förderung des Instituts für Lasertechnik und Messtechnik in Ulm mit rund 1,63 Millionen Euro

24.03.2017 | Förderungen Preise

TU-Bauingenieure koordinieren EU-Projekt zu Recycling-Beton von über sieben Millionen Euro

24.03.2017 | Förderungen Preise