Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wenn‘s beim Wachsen knistert

01.08.2013
Wenn Tropfen oder Staubteilchen verschmelzen, gelten oft ähnliche Gesetze wie beim Knistern eines Papiers

Ob bei Öltröpfchen in homogenisierter Milch, Staubteilchen im frühen Sonnensystem oder kleinsten magnetischen Bezirken in Ferromagneten − in vielen Fällen, in denen sich Teile zu einem Ganzen zusammenballen, gilt: Gleich und gleich gesellt sich gern. Oder richtiger: gleichgroß und gleichgroß.


Gleich und gleich gesellt sich gern: In vielen Fällen, in denen sich wie hier beim Wachstum von Tropfen Teile zu einem Ganzen zusammenballen, verschmelzen bevorzugt Teile von ähnlicher Größe.

© MPI für Dynamik und Selbstorganisation


Knüllt man ein Papier zusammen, knistert es: Es tritt eine breite Spanne lauter und leiser Geräusche auf. Rechts: Auch die Kantenlängen des wiederaufgefalteten Papiers folgen der „Knisterverteilung.“

© www.sxc.hu

Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation, der Universität Göttingen und der Azarbayjan Shahid Madani Universität in Iran konnten nun erstmals zeigen, dass es bei solchen Wachstumsprozessen ‚knistert’.

Gemeint ist folgendes: Die einzelnen Teile machen beim Wachstum immer wieder Sprünge, deren Größe zufällig verteilt ist. Diese Zufälligkeit folgt denselben statistischen Gesetzen wie die Schwankungen der Lautstärke, die ein knisterndes Blatt Papier erzeugt. Die neuen Berechnungen helfen unter anderem auch zu verstehen, wie Ferromagnete nach und nach magnetisieren.

Wenn ein Glas vom Tisch fällt und auf dem Boden zerschellt, ist das – aus Sicht des Physikers – nicht ärgerlich, sondern vor allem hochinteressant. Denn die Bruchstücke, die dabei entstehen, sind alle ähnlich groß: Einige große Scherben hebt man mit der Hand auf; bei den etwas kleineren greift man zu Schwammtuch oder Staubsauger. Mikroskopisch kleine Splitter finden sich hingegen so gut wie nie. „In vielen Wachstumsprozessen, die uns in der Natur begegnen, spielt sich dieser Prozess sozusagen rückwärts ab“, erklärt Jan Nagler, Forscher am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation. „In erster Linie vereinigen sich Teilsysteme ähnlicher Größe, um ein neues Ganzes zu bilden.“

Doch wie wachsen diese Systeme genau? „Unsere Rechnungen haben gezeigt, dass solche Wachstumsprozesse ,knistern‘ “, fasst Nagler die Ergebnisse der neuen Studie zusammen und schlägt ein Gedankenexperiment vor: „Nehmen wir an, eine Gruppe etwa gleichgroßer Tropfen würde Schritt für Schritt verschmelzen und bei jedem Schritt einen Ton von sich geben: einen leisen Ton, wenn der größte Tropfen, der dabei entsteht, nur wenig wächst; einen lauten Ton, wenn der größte Tropfen einen erheblichen Wachstumsschub macht.“

Eine Art Symphonie des Wachsens

Das Wachsen der Tropfen wird dann von einer Abfolge von Tönen verschiedener Lautstärke begleitet – einer Art Symphonie des Wachsens. „Das Geräusch, das so entsteht, ist ein Knistern. Es ähnelt dem eines Papiers, das in der Hand zerknüllt wird“, so Nagler.

„Jeder von uns hat das – ob aus Wut, Frustration oder zum Zeitvertreib − schon tausendmal gemacht“, so Malte Schröder, Masterstudent an der Universität Göttingen. Doch es lohne sich, dabei einmal ganz genau hinzuhören, fügt er hinzu. Denn beim Zerknüllen treten sowohl laute als auch deutlich leisere Geräusche auf, ähnlich wie bei einem knisternden Feuer. Leises Knistern wird manchmal durch ein sehr lautes Knacken unterbrochen. In beiden Fällen decken die Lautstärken eine breite Spanne ab.

Diese Verteilung beschreibt, was Physiker unter ‚Knistern‘ verstehen – und sie tritt längst nicht nur in Zusammenhang mit Geräuschen und Lautstärken auf. „Faltet man das zerknüllte Blatt wieder auf, so zeigt sich ein komplexes Muster aus langen und kürzeren Faltkanten“, so Nagler. Auch die Verteilung dieser Längen folgt dem „Knistergesetz“. Dasselbe gilt für die Stärke von Erdbeben oder Sonneneruption – und eben auch für die Wachstumssprünge beim Zusammenballen von Teilsystemen.

Die Bandbreite der möglichen, zufällig verteilten Wachstumssprünge nimmt dabei mit der Größe des Gesamtsystems zu. Das macht die Vorhersage in großen Systemen wesentlich schwieriger als in kleinen − und damit auch relevant für Materialien, die aus unzählig vielen Untersystemen bestehen, wie die Atome eines Magneten oder die unzähligen Knoten und Verbindungen in einem Netzwerk.

In Magneten dehnen sich die magnetischen Gebiete sprunghaft aus

In ihren Simulationen spielten die Forscher am Computer verschiedene Wachstumsprozesse durch. Dabei ging es ihnen weder um Öltröpfchen noch um Staubpartikel, sondern um eine allgemeine Beschreibung eines solchen Wachstumsvorgangs. Einzige Bedingung: Die Teilsysteme, die sich verbinden, müssen von ähnlicher Größe sein. „Mathematisch lassen sich solche Wachstumsprozesse gut im Rahmen einer neuen Netzwerktheorie beschreiben“, so Schröder. Das kleinstmögliche Subsystem wird durch einen Knoten symbolisiert. Vereinigen sich zwei Subsysteme, entsteht zwischen den Knoten eine Verbindungslinie – und so nach und nach ein Netzwerk.

In einem zweiten Schritt wandten sich die Forscher einem ganz konkreten System zu: ferromagnetischen Stoffen wie etwa Eisen, Nickel und Kobalt. Berührt man diese Stoffe mit einem Magneten, werden sie auch magnetisch. Im Inneren dieser Stoffe finden sich mikroskopische Gebiete, so genannte Weiß’sche Bezirke, die durch den Einfluss von außen nach und nach magnetisiert werden. Auf diese Weise entstehen immer größere zusammenhängende magnetische Gebiete und die Gesamtmagnetisierung steigt deshalb sprunghaft an.

„Da die Weiß’schen Bezirke alle von ähnlicher Größe sind, trifft unser Modell auch hier gut zu“, so Nagler. „Das sprunghafte Ansteigen der Magnetisierung und vor allem die Verteilung dieser Sprünge lässt sich mit unseren Rechnungen gut reproduzieren.“

In einem nächsten Schritt wollen die Forscher nun weitere Systeme identifizieren, welche die nötigen Voraussetzungen für knisterndes Wachstum mitbringen. Denkbar ist vieles – von Öltröpchen auf einer langsam verdampfenden Wasseroberfläche bis hin zu Fusionen etwa gleich großer Unternehmen in der Ökonomie.

Ansprechpartner

Dr. Jan Nagler
Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation, Göttingen
Telefon: +49 551 5176-418
E-Mail: jan@­nld.ds.mpg
Dr. Birgit Krummheuer
Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation, Göttingen
Telefon: +49 551 5176-668
Fax: +49 551 5176-702
E-Mail: presse@­ds.mpg.de
Originalpublikation
Malte Schröder, S.H. Ebrahimnazhad Rahbari und Jan Nagler
Crackling Noise in Fractional Percolation
Nature Communications, 26. Juli 2013; doi:10.1038/ncomms3222

Dr. Jan Nagler | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de/7484067/tropfen_wachstum_knistern

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Schnell wachsende Galaxien könnten kosmisches Rätsel lösen – zeigen früheste Verschmelzung
26.05.2017 | Max-Planck-Institut für Astronomie

nachricht 3D-Graphen: Experiment an BESSY II zeigt, dass optische Eigenschaften einstellbar sind
24.05.2017 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

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: Lässt sich mit Boten-RNA das Immunsystem gegen Staphylococcus aureus scharf schalten?

Staphylococcus aureus ist aufgrund häufiger Resistenzen gegenüber vielen Antibiotika ein gefürchteter Erreger (MRSA) insbesondere bei Krankenhaus-Infektionen. Forscher des Paul-Ehrlich-Instituts haben immunologische Prozesse identifiziert, die eine erfolgreiche körpereigene, gegen den Erreger gerichtete Abwehr verhindern. Die Forscher konnten zeigen, dass sich durch Übertragung von Protein oder Boten-RNA (mRNA, messenger RNA) des Erregers auf Immunzellen die Immunantwort in Richtung einer aktiven Erregerabwehr verschieben lässt. Dies könnte für die Entwicklung eines wirksamen Impfstoffs bedeutsam sein. Darüber berichtet PLOS Pathogens in seiner Online-Ausgabe vom 25.05.2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) ist ein Bakterium, das bei weit über der Hälfte der Erwachsenen Haut und Schleimhäute besiedelt und dabei normalerweise keine...

Im Focus: Can the immune system be boosted against Staphylococcus aureus by delivery of messenger RNA?

Staphylococcus aureus is a feared pathogen (MRSA, multi-resistant S. aureus) due to frequent resistances against many antibiotics, especially in hospital infections. Researchers at the Paul-Ehrlich-Institut have identified immunological processes that prevent a successful immune response directed against the pathogenic agent. The delivery of bacterial proteins with RNA adjuvant or messenger RNA (mRNA) into immune cells allows the re-direction of the immune response towards an active defense against S. aureus. This could be of significant importance for the development of an effective vaccine. PLOS Pathogens has published these research results online on 25 May 2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) is a bacterium that colonizes by far more than half of the skin and the mucosa of adults, usually without causing infections....

Im Focus: Orientierungslauf im Mikrokosmos

Physiker der Universität Würzburg können auf Knopfdruck einzelne Lichtteilchen erzeugen, die einander ähneln wie ein Ei dem anderen. Zwei neue Studien zeigen nun, welches Potenzial diese Methode hat.

Der Quantencomputer beflügelt seit Jahrzehnten die Phantasie der Wissenschaftler: Er beruht auf grundlegend anderen Phänomenen als ein herkömmlicher Rechner....

Im Focus: A quantum walk of photons

Physicists from the University of Würzburg are capable of generating identical looking single light particles at the push of a button. Two new studies now demonstrate the potential this method holds.

The quantum computer has fuelled the imagination of scientists for decades: It is based on fundamentally different phenomena than a conventional computer....

Im Focus: Tumult im trägen Elektronen-Dasein

Ein internationales Team von Physikern hat erstmals das Streuverhalten von Elektronen in einem nichtleitenden Material direkt beobachtet. Ihre Erkenntnisse könnten der Strahlungsmedizin zu Gute kommen.

Elektronen in nichtleitenden Materialien könnte man Trägheit nachsagen. In der Regel bleiben sie an ihren Plätzen, tief im Inneren eines solchen Atomverbunds....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Meeresschutz im Fokus: Das IASS auf der UN-Ozean-Konferenz in New York vom 5.-9. Juni

24.05.2017 | Veranstaltungen

Diabetes Kongress in Hamburg beginnt heute: Rund 6000 Teilnehmer werden erwartet

24.05.2017 | Veranstaltungen

Wissensbuffet: „All you can eat – and learn”

24.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

DFG fördert 15 neue Sonderforschungsbereiche (SFB)

26.05.2017 | Förderungen Preise

Lässt sich mit Boten-RNA das Immunsystem gegen Staphylococcus aureus scharf schalten?

26.05.2017 | Biowissenschaften Chemie

Unglaublich formbar: Lesen lernen krempelt Gehirn selbst bei Erwachsenen tiefgreifend um

26.05.2017 | Gesellschaftswissenschaften