Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Biophysik - Entmischende Kollisionen

05.02.2016

Ein Mix verschiedener, aber gleich großer Teilchen kann sich wie von Zauberhand selbst entmischen – und zwar dann, wenn eine Teilchenart schneller ist als die andere.

Rüttelt man eine Mischung von unterschiedlich großen Nüssen, dann liegen nach kurzer Zeit die größten Nüsse ganz oben und die kleinsten ganz unten in der Schale. Diese spontane Entmischung von Teilchen unterschiedlicher Größe ist als Paranuss-Effekt bekannt.


Unterschiedlich große Nüsse können durch Rütteln sortiert werden. Ein ähnlicher Effekt funktioniert auch bei gleich großen Teilchen, wenn diese unterschiedlich aktiv sind.

Man findet dieses Phänomen bei allen granularen Systemen, wenn man sie schüttelt und so zufällige aktive Bewegungen der Teilchen erzeugt. Bei Computersimulationen entdeckten nun der LMU-Physiker Erwin Frey und sein Team zu ihrem Erstaunen, dass sich sogar gleich große Teilchen von selbst sortieren, wenn sie unterschiedlich stark ausgeprägte Zufallsbewegungen ausführen.

„Dieses Phänomen, das bisher noch niemand untersucht hatte, konnten wir nun mithilfe unserer Simulationen theoretisch erklären und zeigen, dass das Bewegungsverhalten der Teilchen dabei eine wichtige Rolle spielt“, sagt Frey. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin Physical Review Letters.

In Wasser gelöste Teilchen verteilen sich normalerweise gleichmäßig in der Lösung, wobei ihre Diffusionskonstante – ein Maß für die Beweglichkeit der Teilchen – von der Temperatur abhängt. In Mischungen im thermischen Gleichgewicht haben gleich große Teilchen auch die gleiche Diffusionskonstante. „Uns interessierte, was passiert, wenn die Teilchen unterschiedliche Diffusionskonstanten haben. Dies ist nur möglich, wenn die Teilchen aktiv angetrieben werden“, sagt Simon Weber, der Erstautor der Studie.

„Wir haben deshalb ein System analysiert, in dem sich die Teilchen persistent bewegen, es findet also eine unregelmäßige, aber aktive Bewegung statt. Die sogenannte Persistenzlänge beschreibt dabei die Strecke, die ein Teilchen in eine Richtung zurücklegt, bevor es in eine andere Richtung abschwenkt.“

Die Simulationen der Wissenschaftler zeigten, dass sich eine Mischung aus schnellen (aktiven) und langsamen (passiven) Teilchen von selbst entmischt, wenn die Persistenzlängen der beteiligten aktiven Teilchen sehr klein sind. Dies wäre etwa bei Bakterien der Fall, die Persistenzlängen haben, die kleiner sind als der Durchmesser des Bakteriums.

„Zur Entmischung kommt es, weil die passiven Teilchen von den aktiven immer wieder angestoßen werden“, sagt Frey. „Dadurch entsteht eine effektive Anziehung zwischen den passiven Teilchen, die langfristig einen Cluster bilden. Die aktiven Teilchen verteilen sich gleichmäßig um den Cluster und wirken wie eine Art Käfig für die passiven.“

Allerdings funktioniert die Entmischung nur bei einer ausreichend großen Teilchenzahl und einem ausreichend großen Unterschied in den Diffusionskonstanten. Außerdem braucht der Effekt viel Zeit: „Einen Raum mithilfe von diffusiver Bewegung zu durchlaufen, dauert sehr lange. Da die passiven Teilchen hauptsächlich durch die Stöße der aktiven Teilchen zu diffusiver Bewegung getrieben werden, schlägt die Langsamkeit der Diffusion sogar doppelt zu“, sagt Weber.

„Wir vermuten, dass eine Clusterbildung der passiven Teilchen unter anderem deshalb noch nie zuvor beobachtet wurde, weil die entsprechenden Simulationen zu früh abgebrochen wurden.“ Als nächsten Schritt schlagen die Wissenschaftler vor, die Ergebnisse der Computersimulationen experimentell zu überprüfen.
Physical Review Letters 2016

Publikation:
Binary Mixtures of Particles with Different Diffusivities Demix
Simon N. Weber, Christoph A. Weber and Erwin Frey
Physical Review Letters 2015

Kontakt:
Prof. Dr. Erwin Frey
Statistische und Biologische Physik
Tel.: 089 2180 4538 (Sekretariat)
frey@lmu.de

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

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Beobachtung und Kontrolle ultraschneller Prozesse mit Attosekunden-Auflösung
20.02.2018 | Technische Universität München

nachricht Lasing am Limit
15.02.2018 | Technische Universität Berlin

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: Die Brücke, die sich dehnen kann

Brücken verformen sich, daher baut man normalerweise Dehnfugen ein. An der TU Wien wurde eine Technik entwickelt, die ohne Fugen auskommt und dadurch viel Geld und Aufwand spart.

Wer im Auto mit flottem Tempo über eine Brücke fährt, spürt es sofort: Meist rumpelt man am Anfang und am Ende der Brücke über eine Dehnfuge, die dort...

Im Focus: Eine Frage der Dynamik

Die meisten Ionenkanäle lassen nur eine ganz bestimmte Sorte von Ionen passieren, zum Beispiel Natrium- oder Kaliumionen. Daneben gibt es jedoch eine Reihe von Kanälen, die für beide Ionensorten durchlässig sind. Wie den Eiweißmolekülen das gelingt, hat jetzt ein Team um die Wissenschaftlerin Han Sun (FMP) und die Arbeitsgruppe von Adam Lange (FMP) herausgefunden. Solche nicht-selektiven Kanäle besäßen anders als die selektiven eine dynamische Struktur ihres Selektivitätsfilters, berichten die FMP-Forscher im Fachblatt Nature Communications. Dieser Filter könne zwei unterschiedliche Formen ausbilden, die jeweils nur eine der beiden Ionensorten passieren lassen.

Ionenkanäle sind für den Organismus von herausragender Bedeutung. Wenn zum Beispiel Sinnesreize wahrgenommen, ans Gehirn weitergeleitet und dort verarbeitet...

Im Focus: In best circles: First integrated circuit from self-assembled polymer

For the first time, a team of researchers at the Max-Planck Institute (MPI) for Polymer Research in Mainz, Germany, has succeeded in making an integrated circuit (IC) from just a monolayer of a semiconducting polymer via a bottom-up, self-assembly approach.

In the self-assembly process, the semiconducting polymer arranges itself into an ordered monolayer in a transistor. The transistors are binary switches used...

Im Focus: Erste integrierte Schaltkreise (IC) aus Plastik

Erstmals ist es einem Forscherteam am Max-Planck-Institut (MPI) für Polymerforschung in Mainz gelungen, einen integrierten Schaltkreis (IC) aus einer monomolekularen Schicht eines Halbleiterpolymers herzustellen. Dies erfolgte in einem sogenannten Bottom-Up-Ansatz durch einen selbstanordnenden Aufbau.

In diesem selbstanordnenden Aufbauprozess ordnen sich die Halbleiterpolymere als geordnete monomolekulare Schicht in einem Transistor an. Transistoren sind...

Im Focus: Quantenbits per Licht übertragen

Physiker aus Princeton, Konstanz und Maryland koppeln Quantenbits und Licht

Der Quantencomputer rückt näher: Neue Forschungsergebnisse zeigen das Potenzial von Licht als Medium, um Informationen zwischen sogenannten Quantenbits...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Aachener Optiktage: Expertenwissen in zwei Konferenzen für die Glas- und Kunststoffoptikfertigung

19.02.2018 | Veranstaltungen

Konferenz "Die Mobilität von morgen gestalten"

19.02.2018 | Veranstaltungen

Von Bitcoins bis zur Genomchirurgie

19.02.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Markierung für Krebsstammzellen

20.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Da haben wir den Salat: Erste Ernte aus aufbereitetem Abwasser im Forschungsprojekt HypoWave

20.02.2018 | Agrar- Forstwissenschaften

Die Brücke, die sich dehnen kann

20.02.2018 | Architektur Bauwesen

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics