Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Auf den Spuren der Entstehung von Kondensationstropfen

28.02.2017

Physikern der Universität Leipzig ist ein wichtiger Schritt zum besseren Verständnis der Entstehung von Kondensationstropfen gelungen. Forscher der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Wolfhard Janke vom Institut für Theoretische Physik analysierten den Prozess der Tropfenbildung mit numerischen Methoden: Wenn sich in Wasserdampf ein Tropfen bildet, dann entsteht zunächst aus lokalen statistischen Schwankungen ein Kern, der dann eine Barriere überwinden muss, um stabil zu werden.

Die Physiker der Universität Leipzig haben nun diese Barriere in Computersimulationen mit einer neuartigen Methode präzise gemessen, ohne die genaue Form des Tropfens kennen zu müssen. Dadurch lassen sich präzisere Aussagen auch für komplexere Kondensationsmechanismen treffen. Ihre Ergebnisse haben die Wissenschaftler im renommierten Fachjournal "Nature Communications" veröffentlicht.


Kondensation von Polymeren: Die Abbildung zeigt einen Kondensationstropfen in einer verdünnten Lösung.

Foto: Prof. Dr. Wolfhard Janke/Universität Leipzig

Kondensation ist einer der fundamentalsten Phasenübergänge, die wir aus der Natur kennen und die unseren Alltag ständig begleitet. Sie ist deshalb eine der am besten untersuchten Prozesse, die neben Tropfenbildung in Wolken auch die Ausbildung von magnetisierten Bereichen in magnetischen Materialien und vielen weiteren Anwendungen beschreibt. Interessiert ist man unter anderem an Vorhersagen, mit welcher Geschwindigkeit sich Tropfen formen.

Dies hängt in erster Linie von der Barriere in der Energie ab, die ein Tropfen überwinden muss. Hier spielen sowohl die innere Energie des Tropfens als auch die Oberflächenspannung und die verminderte Beweglichkeit der gebundenen Bestandteile eine Rolle. In der Natur kommen noch Verunreinigungen hinzu, die auch einen Einfluss auf die Größe der Barriere haben.

Trotz jahrzehntelanger Forschung, in denen Experimente ständig genauer, numerische Simulationen und weitere Effekte in den theoretischen Modellen immer mehr verfeinert wurden, liegen zwischen den experimentell und numerisch gemessenen Barrieren häufig mehrere Größenordnungen. Daher ist es wichtig, das Verständnis von Tropfenbildung grundlegend zu stärken.

Hierzu haben sich die Leipziger Wissenschaftler der fundamentalen Frage gewidmet, wie die Barriere von der Größe des Tropfens abhängt. Als Beispiel betrachteten die Forscher die Kondensation von Kettenmolekülen, wie zum Beispiel Polymeren oder Proteinen. Dies ist auch ein zentrales Thema des Sonderforschungsbereichs/Transregio (SFB/TRR) 102.

"Im Gegensatz zu dem weitverbreiteten Ansatz, die Umgebung dabei zu vernachlässigen, ist es zielführender, die Menge der zur Verfügung stehenden Gasteilchen zu beschränken und das System in einem Wärmebad zu betrachten", erklärt Dr. Johannes Zierenberg, Physiker der Universität Leipzig und Erstautor der Publikation. In diesem Fall kann es nur einen einzigen Tropfen geben, und die Barriere hängt direkt von der Größe des betrachteten Systems ab.

Diese Abhängigkeit konnten die Forscher mit moderner Computersimulationen auf leistungsfähigen Parallelrechnern mit hunderten von Prozessoren präzise vermessen und charakterisieren. "Dies eröffnet ein neues Verständnis von allgemeinen Kondensationsprozessen, in denen lokale Gleichgewichte für die Verteilung von Tropfengrößen auf der Zeitskala der Beobachtung verantwortlich sind. In Kombination mit dem Einfluss von Verunreinigung ist dies ein vielversprechender Ansatz, um die Entstehung von Kondensationstropfen besser vorhersagen zu können", sagt Janke.

Originaltitel der Veröffentlichung in Nature Communications:
"Canonical free-energy barrier of particle and polymer cluster formation", doi: 10.1038/ncomms14546 (2017)

Weitere Informationen:

Prof. Dr. Wolfhard Janke
Telefon: +49 341 97-32421
E-Mail: wolfhard.janke@itp.uni-leipzig.de
Web: www.physik.uni-leipzig.de/~janke/

Susann Huster | Universität Leipzig
Weitere Informationen:
http://www.uni-leipzig.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Weniger (Flug-)Lärm dank Mathematik
21.09.2017 | Forschungszentrum MATHEON ECMath

nachricht Der stotternde Motor im Weltall
21.09.2017 | Universität Wien

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Hochpräzise Verschaltung in der Hirnrinde

Es ist noch immer weitgehend unbekannt, wie die komplexen neuronalen Netzwerke im Gehirn aufgebaut sind. Insbesondere in der Hirnrinde der Säugetiere, wo Sehen, Denken und Orientierung berechnet werden, sind die Regeln, nach denen die Nervenzellen miteinander verschaltet sind, nur unzureichend erforscht. Wissenschaftler um Moritz Helmstaedter vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main und Helene Schmidt vom Bernstein-Zentrum der Humboldt-Universität in Berlin haben nun in dem Teil der Großhirnrinde, der für die räumliche Orientierung zuständig ist, ein überraschend präzises Verschaltungsmuster der Nervenzellen entdeckt.

Wie die Forscher in Nature berichten (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005), haben die...

Im Focus: Highly precise wiring in the Cerebral Cortex

Our brains house extremely complex neuronal circuits, whose detailed structures are still largely unknown. This is especially true for the so-called cerebral cortex of mammals, where among other things vision, thoughts or spatial orientation are being computed. Here the rules by which nerve cells are connected to each other are only partly understood. A team of scientists around Moritz Helmstaedter at the Frankfiurt Max Planck Institute for Brain Research and Helene Schmidt (Humboldt University in Berlin) have now discovered a surprisingly precise nerve cell connectivity pattern in the part of the cerebral cortex that is responsible for orienting the individual animal or human in space.

The researchers report online in Nature (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005) that synapses in...

Im Focus: Tiny lasers from a gallery of whispers

New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Im Focus: Hochautomatisiertes Fahren bei Schnee und Regen: Robuste Warnehmung dank intelligentem Sensormix

Schlechte Sichtverhältnisse bei Regen oder Schnellfall sind für Menschen und hochautomatisierte Fahrzeuge eine große Herausforderung. Im europäischen Projekt RobustSENSE haben die Forscher von Fraunhofer FOKUS mit 14 Partnern, darunter die Daimler AG und die Robert Bosch GmbH, in den vergangenen zwei Jahren eine Softwareplattform entwickelt, auf der verschiedene Sensordaten von Kamera, Laser, Radar und weitere Informationen wie Wetterdaten kombiniert werden. Ziel ist, eine robuste und zuverlässige Wahrnehmung der Straßensituation unabhängig von der Komplexität und der Sichtverhältnisse zu gewährleisten. Nach der virtuellen Erprobung des Systems erfolgt nun der Praxistest, unter anderem auf dem Berliner Testfeld für hochautomatisiertes Fahren.

Starker Schneefall, ein Ball rollt auf die Fahrbahn: Selbst ein Mensch kann mitunter nicht schnell genug erkennen, ob dies ein gefährlicher Gegenstand oder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Die Erde und ihre Bestandteile im Fokus

21.09.2017 | Veranstaltungen

23. Baltic Sea Forum am 11. und 12. Oktober nimmt Wirtschaftspartner Finnland in den Fokus

21.09.2017 | Veranstaltungen

6. Stralsunder IT-Sicherheitskonferenz im Zeichen von Smart Home

21.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

OLED auf hauchdünnem Edelstahl

21.09.2017 | Messenachrichten

Weniger (Flug-)Lärm dank Mathematik

21.09.2017 | Physik Astronomie

In Zeiten des Klimawandels: Was die Farbe eines Sees über seinen Zustand verrät

21.09.2017 | Geowissenschaften