Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Physiker und Mathematiker erforschen räumlich komplexe Strukturen

27.07.2011
Welche Form hat eine typische Zelle in einem Schaum? Die Antwort auf diese Frage zu kennen, ist äußerst hilfreich, wenn möglichst leichte und zugleich stabile Bauteile entstehen sollen.

Bevor die Ingenieurwissenschaftler ans Werk gehen, kann die Kombination von Mathematik und Physik solide Grundlagen für derart komplexe Strukturen schaffen. Eine Brücke zwischen den beiden Disziplinen schlägt die neue Forschergruppe „Geometry and Physics of Spatial Random Systems“ (GPSRS), welche die Deutsche Forschungsgemeinschaft am Institut für Theoretische Physik der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) und am Karlsruher Institut für Technologie einrichtet.


Ein ‚Gyroid‘ ist ein dreidimensionales Labyrinth, das von periodischen Minimalflächen begrenzt ist. Die Physik von Flüssigkeiten in solchen Kanälen – visualisiert durch blaue Kügelchen – hängt von der Geometrie der Wände ab. Abbildung: Institut für Theoretische Physik

Über die drei Jahre der ersten Förderperiode sind für insgesamt sechs Projekte mehr als 1,5 Millionen Euro vorgesehen, die zwischen den zwei Institutionen geteilt werden: Eine Hälfte der Summe geht an Erlanger Physiker, die andere an Mathematiker in Karlsruhe und im dänischen Aarhus.

Drei der bewilligten Projekte sind am Lehrstuhl von Prof. Dr. Klaus Mecke angesiedelt, der gemeinsam mit seinem Mitarbeiter Dr. Gerd Schröder-Turk die Forschungsarbeiten leitet. Die Zusammenarbeit mit den Mathematikern vom Institut für Technologie in Karlsruhe (Sprecher: Prof. Dr. Günter Last) wird vom dänischen Exzellenzzentrum für Stochastische Geometrie und Bioimaging in Aarhus (Direktorin: Prof. Dr. Eva Vedel Jensen) unterstützt, das zusätzliche Mittel aus Dänemark beibringt. Nach der ersten Förderperiode besteht die Möglichkeit der Verlängerung um weitere drei Jahre.

Übersetzt bedeutet der Titel der Forschergruppe in etwa „Geometrie und Physik von räumlich komplexen Strukturen“. Damit sind Materialien wie Schäume, Granulate oder Flüssigkristalle gemeint. Um solche kompliziert aufgebauten Werkstoffe besser zu verstehen und ihre Eigenschaften bzw. die Reaktionen auf vorgegebene Bedingungen beschreiben zu können, ist die Weiterentwicklung von Methoden und Modellen der räumlichen Stochastik und der Integralgeometrie geplant. Die dafür erforderliche Verbindung von Physik und Geometrie hat in Erlangen eine lange Tradition und wird am Institut für Theoretische Physik als zentrale Aufgabe gesehen.

Die Aufgabe der Statistischen Physik in Erlangen ist es, grundlegende Beziehungen zwischen geometrischen und physikalischen Eigenschaften von kondensierter Materie herzuleiten. Helfen sollen dabei Methoden der Feldtheorie, der Dichtefunktionaltheorie und der Perkolationstheorie. Letztere beschreibt zum Beispiel das „Durchsickern“ von Wasser durch ein poröses Material und die Abhängigkeit der durchfließenden Wassermenge von der Form des kompliziert zusammenhängenden Porenraumes – ein Vorgang, wie er in vielen Küchen allgegenwärtig ist, nämlich beim Zubereiten von Filterkaffee. Erstaunlicherweise ist das thermodynamische Verhalten von Flüssigkeiten in Poren und Kanälen (siehe Bild) nur von wenigen geometrischen Größen der Wände abhängig und nicht von Details der komplizierten Porenform. Die Dichte und mikroskopische Struktur von Flüssigkeiten, aber auch von physikalisch ähnlichen Substanzen können mittels Dichtefunktionaltheorie berechnet werden. Was sich im Mikro-und Nano-Bereich abspielt, hängt entscheidend von der Form der Teilchen ab. Längliche Partikel können beispielsweise Flüssigkristallstrukturen ausbilden, die technisch bei Flachbildschirmen (LCD) verwendet werden. Die Verbindung von Geometrie und Physik ist zum Verständnis dieser Phänomene unverzichtbar.

Mit dieser wissenschaftlichen Ausrüstung könnten sich Antworten auf Fragen wie die folgenden finden lassen, die technologisch wichtig, aber ungelöst sind. Warum lassen sich ellipsenförmige Körner dichter packen als kugelförmige? Wie kann man den Transport durch poröse Materialien durch die Form und Ausrichtung der Poren kontrollieren? Auch die Klärung der Zellstruktur von Schäumen gehört in diesen Zusammenhang. So erleichtern die schwierigsten, vermeintlich alltagsfernen mathematisch-physikalischen Grundlagenforschungen den Umgang mit ganz praktischen Aufgaben.

Die Universität Erlangen-Nürnberg, gegründet 1743, ist mit 29.000 Studierenden, 590 Professorinnen und Professoren sowie 2000 wissenschaftlichen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern die größte Universität in Nordbayern. Schwerpunkte in Forschung und Lehre liegen an den Schnittstellen von Naturwissenschaften, Technik und Medizin in engem Dialog mit Jura und Theologie sowie den Geistes-, Sozial- und Wirtschaftswissenschaften. Seit Mai 2008 trägt die Universität das Siegel „familiengerechte Hochschule“.

Weitere Informationen für die Medien:

Prof. Dr. Klaus Mecke
Tel.: 09131/85-28441
klaus.mecke@physik.uni-erlangen.d

Dr. Pascale Anja Dannenberg | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-erlangen.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Quantenmechanik ist komplex genug – vorerst …
21.04.2017 | Universität Wien

nachricht Tief im Inneren von M87
20.04.2017 | Max-Planck-Institut für Radioastronomie

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: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Im Focus: Leichtbau serientauglich machen

Immer mehr Autobauer setzen auf Karosserieteile aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK). Dennoch müssen Fertigungs- und Reparaturkosten weiter gesenkt werden, um CFK kostengünstig nutzbar zu machen. Das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) hat daher zusammen mit der Volkswagen AG und fünf weiteren Partnern im Projekt HolQueSt 3D Laserprozesse zum automatisierten Besäumen, Bohren und Reparieren von dreidimensionalen Bauteilen entwickelt.

Automatisiert ablaufende Bearbeitungsprozesse sind die Grundlage, um CFK-Bauteile endgültig in die Serienproduktion zu bringen. Ausgerichtet an einem...

Im Focus: Making lightweight construction suitable for series production

More and more automobile companies are focusing on body parts made of carbon fiber reinforced plastics (CFRP). However, manufacturing and repair costs must be further reduced in order to make CFRP more economical in use. Together with the Volkswagen AG and five other partners in the project HolQueSt 3D, the Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) has developed laser processes for the automatic trimming, drilling and repair of three-dimensional components.

Automated manufacturing processes are the basis for ultimately establishing the series production of CFRP components. In the project HolQueSt 3D, the LZH has...

Im Focus: Wonder material? Novel nanotube structure strengthens thin films for flexible electronics

Reflecting the structure of composites found in nature and the ancient world, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have synthesized thin carbon nanotube (CNT) textiles that exhibit both high electrical conductivity and a level of toughness that is about fifty times higher than copper films, currently used in electronics.

"The structural robustness of thin metal films has significant importance for the reliable operation of smart skin and flexible electronics including...

Im Focus: Immunzellen helfen bei elektrischer Reizleitung im Herzen

Erstmals elektrische Kopplung von Muskelzellen und Makrophagen im Herzen nachgewiesen / Erkenntnisse könnten neue Therapieansätze bei Herzinfarkt und Herzrhythmus-Störungen ermöglichen / Publikation am 20. April 2017 in Cell

Makrophagen, auch Fresszellen genannt, sind Teil des Immunsystems und spielen eine wesentliche Rolle in der Abwehr von Krankheitserregern und bei der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Forschungsexpedition „Meere und Ozeane“ mit dem Ausstellungsschiff MS Wissenschaft

24.04.2017 | Veranstaltungen

3. Bionik-Kongress Baden-Württemberg

24.04.2017 | Veranstaltungen

Smart-Data-Forschung auf dem Weg in die wirtschaftliche Praxis

21.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Phoenix Contact übernimmt Spezialisten für Netzleittechnik

24.04.2017 | Unternehmensmeldung

Phoenix Contact beteiligt sich an Berliner Start-up Unternehmen für Energiemanagement

24.04.2017 | Unternehmensmeldung

Phoenix Contact übernimmt Spezialisten für industrielle Kommunikationstechnik

24.04.2017 | Unternehmensmeldung