Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

LMU-Physiker finden Ordnung in der Unordnung - Transport in der Zelle, im Gel und anderen ungeordneten Materialien

08.05.2006


Die Natur, aber auch die moderne Technologie bringen eine große Vielfalt ungeordneter Materialien hervor. Dazu gehören unter anderem Fensterglas, Verbundwerkstoffe, die aus verschiedenen Komponenten zusammengesetzt sind, aber auch Zuckerwatte. Ein weiteres Beispiel ist die innere Struktur biologischer Zellen. In homogenen, also gleichförmig aufgebauten Materialien bewegen sich mikroskopisch kleine Partikel meist gemäß den Regeln der Brownschen Molekularbewegung - das ist die normale Diffusion. Sehr viel weniger gleichmäßig laufen dagegen Transportprozesse in ungeordneten Materialien ab. Professor Erwin Frey und seine Mitarbeiter Felix Höfling und Dr. Thomas Franosch vom Department für Physik der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München konnten in der Fachzeitschrift Physical Review Letters (PRL) zeigen, dass in diesen Fällen das seit längerem bekannte Lorentz-Modell zur Anwendung kommt. "Die Unregelmäßigkeiten im Aufbau ungeordneter Materialien verlangsamen den Transport", so Frey. "Die Transporteigenschaften der Partikel hängen dann direkt mit diesen strukturellen Hindernissen zusammen. Uns ist es jetzt gelungen, das dynamische Verhalten direkt von den zugrunde liegenden geometrischen Strukuren abzuleiten." Das Cover von PRL zeigt eine Abbildung aus der Veröffentlichung.



Gleichmäßig oder homogen aufgebaute Materialen haben eine kristalline Struktur und können deshalb mit einer einzigen Längenskala und einem einzigen Zeitmaßstab beschrieben werden. Mikroskopische Teilchen diffundieren in diesen Stoffen, bewegen sich damit also - statistisch gesehen - sehr gleichmäßig und vorhersagbar, in der Regel gemäß der Brownschen Molekularbewegung. Das geht sogar so weit, dass diese "Brownschen Teilchen" als Sonden in unbekannten Materialien eingesetzt werden können, um deren Eigenschaften zu bestimmen. "Wenn es Abweichungen von der normalen Diffusion gibt, deutet das auf komplexe Materialeigenschaften hin", berichtet Frey. In ungeordneten oder heterogenen Materialien aber fehlt die typische Längenskala, stattdessen weist das Material Poren verschiedenster Größe auf, ,,durch die sich die Teilchen bewegen können. Es entsteht in gewisser Weise ein dreidimensionales Netz mit kleinen und großen Maschenweiten. "In biologischen Zellen beispielsweise kann man beobachten, dass sich Proteine nicht in normaler, sondern anomaler Diffusion bewegen", so Frey. "Man führt das auf die hohe Dichte und die unregelmäßige Anordnung der zellulären Bausteine zurück, das zu diesem so genannten ’molecular crowding’ führt."

... mehr zu:
»Lorentz-Modell »Teilchen


Die vorliegende Analyse beruht auf dem Lorentz-Modell, das für den Transport von Partikeln in einem ungeordneten Medium und daraus resultierenden, gleich bleibenden Hindernissen für die Teilchen entwickelt wurde. Dieses Modell erlaubt aber nur ganz grundsätzliche Vorhersagen für den verlangsamten und ungleichförmigen Transport und stößt gerade in komplexeren Systemen schnell an seine Grenzen. "Ursprünglich wurde das Lorentz-Modell 1905 eingeführt, um den Elektronentransport in verunreinigten Metallen zu beschreiben, wobei die Verunreinigungen als Hindernisse zu sehen sind", berichtet Frey. "Das funktionierte aber nicht sehr gut. In den 60er Jahren wurde das Modell wieder aufgegriffen, um den Transport klassischer Teilchen in einem ungeordneten System zu beschreiben. Dabei wurden unter anderem Anomalien gefunden, die auf korrelierte Stöße mit den Hindernissen zurückzuführen und theoretisch sehr schwierig zu handhaben sind. Erst seit unserer Arbeit ist klar, wodurch die Lokalisierung der Teilchen bei hohen Hindernisdichten verursacht wird. Ganz genau gelang uns erstmals die Beschreibung der langsamen Dynamik und des Lokalisierungsüberganges bei sehr hoher Hindernisdichte."

Diese Ergebnisse erlauben weite Anwendungen von der Biologie zur Materialwissenschaft, weil sie universell für alle ungeordneten Materialien gelten. "Wir aber denken insbesondere an Anwendungen in der Biologie", meint Frey. "Langfristig besteht unsere Zielrichtung darin, den Transport von Makromolekülen in Zellen zu beschreiben. Und als nächsten Schritt haben wir vor, die Bewegung von stäbchenförmigen Proteinen in einem so genannten ’crowded environment’, also einem Medium mit sehr hoher Hindernisdichte, zu analysieren. Erste Hinweise haben wir schon. Das ist wichtig, um zu verstehen, wie stark chemische Reaktionen durch die Dichte und Verteilung anderer Proteine in Zellen beeinflusst werden." Ein weiteres wichtiges Forschungsgebiet sind chemische Reaktionen in porösen Medien. "Potential sehe ich daneben vor allem in der Nanotechnologie", so Frey. "In diesem Bereich wird es immer wichtiger, zu verstehen, wie chemische Reaktionen in nano-porösen Materialien ablaufen." (suwe)

Publikation:
"Localization Transition of the Three-Dimensional Lorentz Model and Continuum Percolation", Felix Höfling, Thomas Franosch, and Erwin Frey, Physical Review Letters, 28. April 2006

Ansprechpartner:
Professor Dr. Erwin Frey
Department für Physik der LMU
Tel.: 089-2180-4538
E-Mail: frey@lmu.de

Luise Dirscherl | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-muenchen.de/

Weitere Berichte zu: Lorentz-Modell Teilchen

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Spin-Strom aus Wärme: Neues Material für höhere Effizienz
20.11.2017 | Universität Bielefeld

nachricht cw-Wert wie ein Lkw: FH Aachen testet Weihnachtsbaum im Windkanal
20.11.2017 | FH Aachen

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: Transparente Beschichtung für Alltagsanwendungen

Sport- und Outdoorbekleidung, die Wasser und Schmutz abweist, oder Windschutzscheiben, an denen kein Wasser kondensiert – viele alltägliche Produkte können von stark wasserabweisenden Beschichtungen profitieren. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben Forscher um Dr. Bastian E. Rapp einen Werkstoff für solche Beschichtungen entwickelt, der sowohl transparent als auch abriebfest ist: „Fluoropor“, einen fluorierten Polymerschaum mit durchgehender Nano-/Mikrostruktur. Sie stellen ihn in Nature Scientific Reports vor. (DOI: 10.1038/s41598-017-15287-8)

In der Natur ist das Phänomen vor allem bei Lotuspflanzen bekannt: Wassertropfen perlen von der Blattoberfläche einfach ab. Diesen Lotuseffekt ahmen...

Im Focus: Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau

Wissenschaftler um den Ulmer Physikprofessor Johannes Hecker Denschlag haben chemische Prozesse mit einer beispiellosen Auflösung auf Quantenniveau vermessen. Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit kombinierten die Forscher Theorie und Experiment und können so erstmals die Produktzustandsverteilung über alle Quantenzustände hinweg - unmittelbar nach der Molekülbildung - nachvollziehen. Die Forscher haben ihre Erkenntnisse in der renommierten Fachzeitschrift "Science" publiziert. Durch die Ergebnisse wird ein tieferes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen möglich, das zukünftig genutzt werden kann, um Reaktionsprozesse auf Quantenniveau zu steuern.

Einer deutsch-amerikanischen Forschergruppe ist es gelungen, chemische Prozesse mit einer nie dagewesenen Auflösung auf Quantenniveau zu vermessen. Dadurch...

Im Focus: Leoniden 2017: Sternschnuppen im Anflug?

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg

Die Sternschnuppen der Leoniden sind in diesem Jahr gut zu beobachten, da kein Mondlicht stört. Experten sagen für die Nächte vom 16. auf den 17. und vom 17....

Im Focus: «Kosmische Schlange» lässt die Struktur von fernen Galaxien erkennen

Die Entstehung von Sternen in fernen Galaxien ist noch weitgehend unerforscht. Astronomen der Universität Genf konnten nun erstmals ein sechs Milliarden Lichtjahre entferntes Sternensystem genauer beobachten – und damit frühere Simulationen der Universität Zürich stützen. Ein spezieller Effekt ermöglicht mehrfach reflektierte Bilder, die sich wie eine Schlange durch den Kosmos ziehen.

Heute wissen Astronomen ziemlich genau, wie sich Sterne in der jüngsten kosmischen Vergangenheit gebildet haben. Aber gelten diese Gesetzmässigkeiten auch für...

Im Focus: A “cosmic snake” reveals the structure of remote galaxies

The formation of stars in distant galaxies is still largely unexplored. For the first time, astron-omers at the University of Geneva have now been able to closely observe a star system six billion light-years away. In doing so, they are confirming earlier simulations made by the University of Zurich. One special effect is made possible by the multiple reflections of images that run through the cosmos like a snake.

Today, astronomers have a pretty accurate idea of how stars were formed in the recent cosmic past. But do these laws also apply to older galaxies? For around a...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

500 Kommunikatoren zu Gast in Braunschweig

20.11.2017 | Veranstaltungen

VDI-Expertenforum „Gefährdungsanalyse Trinkwasser"

20.11.2017 | Veranstaltungen

Technologievorsprung durch Textiltechnik

17.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Künstliche neuronale Netze: 5-Achs-Fräsbearbeitung lernt, sich selbst zu optimieren

20.11.2017 | Informationstechnologie

Tonmineral bewässert Erdmantel von innen

20.11.2017 | Geowissenschaften

Hemmung von microRNA-29 schützt vor Herzfibrosen

20.11.2017 | Biowissenschaften Chemie