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 Zinn in der Photodiode: nächster Schritt zur optischen On-Chip-Datenübertragung
21.02.2017 | Forschungszentrum Jülich

nachricht Sternenmusik aus fernen Galaxien
21.02.2017 | 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: Zinn in der Photodiode: nächster Schritt zur optischen On-Chip-Datenübertragung

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium allein – die stoffliche Basis der Chip-Produktion – sind als Lichtquelle kaum geeignet. Jülicher Physiker haben nun gemeinsam mit internationalen Partnern eine Diode vorgestellt, die neben Silizium und Germanium zusätzlich Zinn enthält, um die optischen Eigenschaften zu verbessern. Das Besondere daran: Da alle Elemente der vierten Hauptgruppe angehören, sind sie mit der bestehenden Silizium-Technologie voll kompatibel.

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium...

Im Focus: Innovative Antikörper für die Tumortherapie

Immuntherapie mit Antikörpern stellt heute für viele Krebspatienten einen Erfolg versprechenden Ansatz dar. Weil aber längst nicht alle Patienten nachhaltig von diesen teuren Medikamenten profitieren, wird intensiv an deren Verbesserung gearbeitet. Forschern um Prof. Thomas Valerius an der Christian Albrechts Universität Kiel gelang es nun, innovative Antikörper mit verbesserter Wirkung zu entwickeln.

Immuntherapie mit Antikörpern stellt heute für viele Krebspatienten einen Erfolg versprechenden Ansatz dar. Weil aber längst nicht alle Patienten nachhaltig...

Im Focus: Durchbruch mit einer Kette aus Goldatomen

Einem internationalen Physikerteam mit Konstanzer Beteiligung gelang im Bereich der Nanophysik ein entscheidender Durchbruch zum besseren Verständnis des Wärmetransportes

Einem internationalen Physikerteam mit Konstanzer Beteiligung gelang im Bereich der Nanophysik ein entscheidender Durchbruch zum besseren Verständnis des...

Im Focus: Breakthrough with a chain of gold atoms

In the field of nanoscience, an international team of physicists with participants from Konstanz has achieved a breakthrough in understanding heat transport

In the field of nanoscience, an international team of physicists with participants from Konstanz has achieved a breakthrough in understanding heat transport

Im Focus: Hoch wirksamer Malaria-Impfstoff erfolgreich getestet

Tübinger Wissenschaftler erreichen Impfschutz von bis zu 100 Prozent – Lebendimpfstoff unter kontrollierten Bedingungen eingesetzt

Tübinger Wissenschaftler erreichen Impfschutz von bis zu 100 Prozent – Lebendimpfstoff unter kontrollierten Bedingungen eingesetzt

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Der Lkw der Zukunft kommt ohne Fahrer aus

21.02.2017 | Veranstaltungen

Physikerinnen und Physiker diskutieren in Bremen über aktuelle Grenzen der Physik

21.02.2017 | Veranstaltungen

Kniffe mit Wirkung in der Biotechnik

21.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Rittal vereinbart mit den Betriebsräten Sozialpläne

21.02.2017 | Unternehmensmeldung

Der Lkw der Zukunft kommt ohne Fahrer aus

21.02.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Zur Sprache gebracht: Und das intelligente Haus „hört zu“

21.02.2017 | Messenachrichten