Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Tanz der heißen Teilchen

30.08.2010
In der neuesten Ausgabe der renommierten Zeitschrift Physical Review Letters erklären Leipziger Physiker erstmals, wie Brownsche Bewegung funktioniert, wenn die Brownschen Teilchen heißer sind als die umgebende Flüssigkeit.

Dabei ist eigentlich die Brownsche Bewegung, wie man die Zitterbewegung winziger gelöster Partikel in Flüssigkeiten nennt, ein lange bekanntes Phänomen, das bereits Anfang des 19. Jahrhunderts von dem Botaniker Robert Brown eingehend untersucht wurde.

Ihre Ursache blieb jedoch lange Zeit ein Rätsel. Schließlich gelang es Albert Einstein 1905 zu zeigen, dass es anstelle der vermuteten geheimnisvollen Lebenskraft ein kleiner "Atomantrieb" ist, nämlich die Wärmebewegung der Atome in ihrer Umgebung, die die mikroskopischen Partikel scheinbar zum Leben erweckt und sie in wildem Zick-Zack-Kurs tanzen lässt. Einsteins Erklärung für diese sogenannte Brownsche Bewegung markierte den Durchbruch in eine neue Welt der Atome und Moleküle.

Die Theorie der Brownschen Bewegung hat seitdem nicht nur einen unvergleichlichen Siegeszug durch viele Teilgebiete der Physik angetreten. Sie ließ sich auch auf eine Vielzahl von auf den ersten Blick völlig unzusammenhängenden Fragestellungen in der Biologie oder auch in der Klimaforschung übertragen, bis hin zur Beschreibung der Preisentwicklung an der Börse.

Der Fall, dass die Brownschen Teilchen einmal nicht mit ihrer Umgebung im thermischen Gleichgewicht sein könnten, blieb dabei bisher weitgehend unbeachtet. Genau dieser Fall tritt aber in zahlreichen Anwendungen in der modernen Nanotechnologie und Biologie nun immer häufiger auf, wo die Manipulation und Detektion von Nanoteilchen mit Laserlicht inzwischen an der Tagesordnung ist. "Ein heißes Partikel besitzt, vereinfacht gesagt, einen stärkeren Atomantrieb und erfährt eine geringere Reibung. Deshalb bewegt es sich schneller", erläutert Daniel Rings, der als Doktorand maßgeblich an der Entwicklung der Theorie der "heißen Brownschen Bewegung" beteiligt war. Die Bewegungsgeschwindigkeit wird, wie schon Einstein wusste, durch die Temperatur und die Zähigkeit der umgebenden Flüssigkeit bestimmt. Für ein geheiztes Partikel ist dieser Zusammenhang aber nicht mehr so einfach, da die Temperatur und Zähigkeit in seiner Umgebung ja nicht mehr räumlich konstant sind. Die erhöhte Temperatur treibt das Partikel schneller voran - die niedrigere Zähigkeit verringert die Reibung, aber welche Temperatur und welche Viskosität (Zähigkeit) sind jetzt entscheidend?

Dem Team um die Professoren Frank Cichos und Klaus Kroy von der Universität Leipzig ist es nun gelungen, nicht nur eine analytische theoretische Beschreibung für die heiße Brownsche Bewegung zu entwickeln, sondern diese auch direkt mit Hilfe einer neuen experimentellen Methode zu überprüfen. Dabei werden wenige Nanometer kleine Goldpartikel durch einen fokussierten Laserstrahl geheizt und gleichzeitig ihre Brownsche Bewegung mit einem zweiten Laser verfolgt. Dabei machten die Wissenschaftler aus der Not eine Tugend und nutzen die Erwärmung der Teilchen aus, um diese überhaupt erst sichtbar zu machen. "Wir wissen jetzt, dass nicht die Temperatur und die Viskosität an der Partikeloberfläche entscheidend sind, sondern die von der Theorie berechneten effektiven Werte" so Rings. Und Prof. Cichos, der die Experimente betreut hat, fügt begeistert hinzu: "Das Spannende ist, dass uns die Theorie damit neue Möglichkeiten aufzeigt, wie wir die Bewegung dieser Nanoheizquellen gezielt manipulieren können. Wir fangen ja gerade erst an zu verstehen, welche neuen Phänomene und Technologien uns die heiße Brownsche Bewegung eröffnen wird".

Referenz/Veröffentlichung:

Daniel Rings (Institut für theoretische Physik), Romy Schachoff, Markus Selmke, Prof. Frank Cichos (beide Institut für experimentelle Physik 1) und Prof. Klaus Kroy (Institut für theoretische Physik):
Phys. Rev. Lett. 105, 090604 (2010).
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v105/i9/e090604
Weitere Informationen:
Prof. Dr. Klaus Kroy
Telefon: +49 341 97-32436
E-Mail: klaus.kroy@itp.uni-leipzig.de
Daniel Rings
Telefon: 49 341 9732610
E-Mail: daniel.rings@itp.uni-leipzig.de

Dr. Manuela Rutsatz | idw
Weitere Informationen:
http://www.physik.uni-leipzig.de/
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v105/i9/e090604

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Kleinste Teilchen aus fernen Galaxien!
22.09.2017 | Bergische Universität Wuppertal

nachricht Tanzende Elektronen verlieren das Rennen
22.09.2017 | Universität Bielefeld

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: The pyrenoid is a carbon-fixing liquid droplet

Plants and algae use the enzyme Rubisco to fix carbon dioxide, removing it from the atmosphere and converting it into biomass. Algae have figured out a way to increase the efficiency of carbon fixation. They gather most of their Rubisco into a ball-shaped microcompartment called the pyrenoid, which they flood with a high local concentration of carbon dioxide. A team of scientists at Princeton University, the Carnegie Institution for Science, Stanford University and the Max Plank Institute of Biochemistry have unravelled the mysteries of how the pyrenoid is assembled. These insights can help to engineer crops that remove more carbon dioxide from the atmosphere while producing more food.

A warming planet

Im Focus: Hochpräzise Verschaltung in der Hirnrinde

Es ist noch immer weitgehend unbekannt, wie die komplexen neuronalen Netzwerke im Gehirn aufgebaut sind. Insbesondere in der Hirnrinde der Säugetiere, wo Sehen, Denken und Orientierung berechnet werden, sind die Regeln, nach denen die Nervenzellen miteinander verschaltet sind, nur unzureichend erforscht. Wissenschaftler um Moritz Helmstaedter vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main und Helene Schmidt vom Bernstein-Zentrum der Humboldt-Universität in Berlin haben nun in dem Teil der Großhirnrinde, der für die räumliche Orientierung zuständig ist, ein überraschend präzises Verschaltungsmuster der Nervenzellen entdeckt.

Wie die Forscher in Nature berichten (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005), haben die...

Im Focus: Highly precise wiring in the Cerebral Cortex

Our brains house extremely complex neuronal circuits, whose detailed structures are still largely unknown. This is especially true for the so-called cerebral cortex of mammals, where among other things vision, thoughts or spatial orientation are being computed. Here the rules by which nerve cells are connected to each other are only partly understood. A team of scientists around Moritz Helmstaedter at the Frankfiurt Max Planck Institute for Brain Research and Helene Schmidt (Humboldt University in Berlin) have now discovered a surprisingly precise nerve cell connectivity pattern in the part of the cerebral cortex that is responsible for orienting the individual animal or human in space.

The researchers report online in Nature (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005) that synapses in...

Im Focus: Tiny lasers from a gallery of whispers

New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

11. BusinessForum21-Kongress „Aktives Schadenmanagement"

22.09.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zum Biomining ab Sonntag in Freiberg

22.09.2017 | Veranstaltungen

Die Erde und ihre Bestandteile im Fokus

21.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

11. BusinessForum21-Kongress „Aktives Schadenmanagement"

22.09.2017 | Veranstaltungsnachrichten

DFG bewilligt drei neue Forschergruppen und eine neue Klinische Forschergruppe

22.09.2017 | Förderungen Preise

Lebendiges Gewebe aus dem Drucker

22.09.2017 | Biowissenschaften Chemie