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 Ferne Welten unter vielen Sonnen
14.11.2019 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

nachricht TU Graz-Forschende entwickeln neuen 3D-Druck zur direkten Fertigung von Nanostrukturen
14.11.2019 | Technische Universität Graz

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: New opportunities in additive manufacturing presented

Fraunhofer IFAM Dresden demonstrates manufacturing of copper components

The Fraunhofer Institute for Manufacturing Technology and Advanced Materials IFAM in Dresden has succeeded in using Selective Electron Beam Melting (SEBM) to...

Im Focus: New Pitt research finds carbon nanotubes show a love/hate relationship with water

Carbon nanotubes (CNTs) are valuable for a wide variety of applications. Made of graphene sheets rolled into tubes 10,000 times smaller than a human hair, CNTs have an exceptional strength-to-mass ratio and excellent thermal and electrical properties. These features make them ideal for a range of applications, including supercapacitors, interconnects, adhesives, particle trapping and structural color.

New research reveals even more potential for CNTs: as a coating, they can both repel and hold water in place, a useful property for applications like printing,...

Im Focus: Magnetisches Tuning auf der Nanoskala

Magnetische Nanostrukturen maßgeschneidert herzustellen und nanomagnetische Materialeigenschaften gezielt zu beeinflussen, daran arbeiten Physiker des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) gemeinsam mit Kollegen des Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) Dresden und der Universität Glasgow. Zum Einsatz kommt ein spezielles Mikroskop am Ionenstrahlzentrum des HZDR, dessen hauchdünner Strahl aus schnellen geladenen Atomen (Ionen) periodisch angeordnete und stabile Nanomagnete in einem Probenmaterial erzeugen kann. Es dient aber auch dazu, die magnetischen Eigenschaften von Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu optimieren.

„Materialien im Nanometerbereich magnetisch zu tunen birgt ein großes Potenzial für die Herstellung modernster elektronischer Bauteile. Für unsere magnetischen...

Im Focus: Magnets for the second dimension

If you've ever tried to put several really strong, small cube magnets right next to each other on a magnetic board, you'll know that you just can't do it. What happens is that the magnets always arrange themselves in a column sticking out vertically from the magnetic board. Moreover, it's almost impossible to join several rows of these magnets together to form a flat surface. That's because magnets are dipolar. Equal poles repel each other, with the north pole of one magnet always attaching itself to the south pole of another and vice versa. This explains why they form a column with all the magnets aligned the same way.

Now, scientists at ETH Zurich have managed to create magnetic building blocks in the shape of cubes that - for the first time ever - can be joined together to...

Im Focus: A new quantum data classification protocol brings us nearer to a future 'quantum internet'

The algorithm represents a first step in the automated learning of quantum information networks

Quantum-based communication and computation technologies promise unprecedented applications, such as unconditionally secure communications, ultra-precise...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Mediation – Konflikte konstruktiv lösen

12.11.2019 | Veranstaltungen

Hochleistungsmaterialien mit neuen Eigenschaften im Fokus von Partnern aus Wissenschaft und Wirtschaft

11.11.2019 | Veranstaltungen

Weniger Lärm in Innenstädten durch neue Gebäudekonzepte

08.11.2019 | Veranstaltungen

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

Neue Erkundungsmethode für die Geothermie

14.11.2019 | Geowissenschaften

Schmieden statt Schweißen: Stoffschlüssige Verbindung durch Umformen

14.11.2019 | Maschinenbau

Neuer Ansatz zur Parkinson-Therapie?

14.11.2019 | Medizintechnik

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