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Durch Laserstrahlen eingeschlossene Kolloide

Pressemitteilung

2+1 ist nicht immer 3  

In der Mikro-Welt macht Einigkeit nicht immer stark

2. Mai 2016

Wenn jemand ein liegengebliebenes Auto alleine schiebt, gibt es einen bestimmten Effekt. Wenn eine zweite Person hilft, ist das Ergebnis die Summe der Kräfte der beiden. Wenn zwei kleine Teilchen allerdings ein weiteres kleines Teilchen anschieben, ist der daraus resultierende Effekt nicht notwendigerweise die Summe ihrer Kräfte. Eine kürzlich in Nature Communications veröffentlichte Studie hat diesen merkwürdigen Effekt beschrieben, den Wissenschaftler als „Vielteilchen-Effekt“ bezeichnen.

In der mikroskopischen Welt, in der moderne miniaturisierte Maschinen an den Grenzen neuer Technologien operieren, sind die Dinge relativ einfach – solange wir es mit zwei Teilchen zu tun haben. Wenn weitere Teilchen hinzukommen, wird die Situation jedoch komplizierter, als es der gesunde Menschenverstand nahelegen würde. Stellen Sie sich vor, dass zwei Personen ein liegengebliebenes Auto schieben: Die Gesamtkraft ist die Summe der Kräfte dieser beiden Personen. Entsprechend wäre es bei drei Personen die Summe der Kräfte von drei Personen und so weiter. Stellen Sie sich nun ein Festkörperteilchen mit einer Größe von ein paar tausendstel Millimeter vor, ein sogenanntes Kolloid, eingetaucht in Flüssigkeit. Direkt davor befindet sich ein ähnliches Teilchen. Wenn es „kritische“ thermische Fluktuationen in der sie trennenden Flüssigkeit gibt, stoßen sie sich gegenseitig entweder ab oder ziehen sich an, ohne sich zu berühren – hierfür sind die Fluktuationen verantwortlich. Anders ausgedrückt entsteht eine Wechselwirkungskraft oder „kritische Casimir“-Kraft, als wären die Teilchen durch eine unsichtbare Feder verbunden. Um kritische Fluktuationen zu erreichen, benötigen wir nur eine von zahlreichen transparenten Flüssigkeiten, bestehend aus einer Mischung aus zwei Flüssigkeiten, welche sich wie Öl und Wasser bei Erhöhung ihrer Temperatur allmählich trennen.  

Was geschieht nun , wenn ein drittes Kolloid hinzukommt? „Etwas, dass unserer Intuition widerspricht“, erklärt SISSA-Professor Andrea Gambassi, einer der Autoren der Studie und langjähriger Kollege von Prof. Siegfried Dietrich, Direktor am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme (MPI-IS) in Stuttgart. „Die Gesamtkraft, die eines der Teilchen ‚wahrnimmt‘, weicht von der Summe der Interaktionen mit den anderen beiden, wenn diese einzeln vorhanden sind, ab.”

Dietrich und Gambassi sind mit kritischen Casimir-Kräften vertraut: 2008 veröffentlichten sie gemeinsam eine Studie in Nature, in der diese Kräfte – die bereits seit 1978 theoretisch vorhergesagt wurden – erstmals direkt gemessen wurden. Dies geschah in Zusammenarbeit mit der experimentellen Gruppe von Prof. Clemens Bechinger, Leiter des 2. Physikalischen Instituts an der Universität Stuttgart und Max Planck Fellow am MPI-IS. „Einfach ausgedrückt“, führt Gambassi weiter aus, „summieren sich die Kräfte nicht linear, so wie sie es in unserem Alltagsleben tun. Hier haben wir es mit etwas zu tun, was Physiker als Vielteilchen-Effekt bezeichnen. Dieser ist typisch für durch Fluktuationen ausgelöste Kräfte.“

Die neue Studie beschreibt diesen Effekt zum ersten Mal in einem System bestehend aus Glas (Siliciumdioxid)-Mikrokugeln, die in eine Flüssigkeit getaucht wurden. Durch die Rekonstruktion kritischer Casimir-Kräfte erst mit nur zwei und danach mit drei Teilchen demonstrierten die Forscher die Nicht-Additivität dieser Kräfte. „Die Kenntnis dieser Effekte ist sowohl für die Grundlagen- als auch für die angewandte Forschung sehr wichtig – insbesondere für Wissenschaftler, die Mikromaschinen für viele verschiedene Aufgaben konstruieren. Jede Mikromaschine besteht aus mehreren mechanischen Teilen in Relativbewegung – um zu verstehen, wie die verschiedenen ‚Zahnräder‘ ineinander greifen, ist die Kenntnis der Vielteilchen-Interaktion, vor allem in Gegenwart von Flüssigkeiten, entscheidend“, erklärt Gambassi.

 
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