q&more
Meine Merkliste
my.chemie.de  
Login  

News

Wenn sich Sand wie Öl verhält

ETH Zürich / Alexander Penn

Unter gewissen Umständen verhalten sich körnige Materialien wie Flüssigkeiten und bilden ähnliche Formen wie diese.

08.05.2019: Sand, Kaffeepulver oder Reis verhalten sich ganz anders als Wasser und Öl. Doch unter gewissen Bedingungen zeigen sich plötzlich erstaunliche Ähnlichkeiten. Wissenschaftler haben einen Weg gefunden, wie sie das Verhalten von körnigen Materialien besser verstehen können.

Körnige Materialien wie Sand, Reis oder Kaffee spielen bei vielen Vorgängen eine zentrale Rolle. Nicht nur in der Natur sind diese Stoffe wichtig, wo sie beispielsweise das Verhalten von Lawinen oder Sanddünen prägen, sondern auch in der Industrie. Bei der Herstellung von Arzneimitteln oder Lebensmitteln gilt es immer wieder, körnige Materialien möglichst effizient zu verarbeiten.

Trotz der Vielfalt an praktischen Anwendungen versteht man jedoch erst ansatzweise, nach welchen physikalischen Gesetzmässigkeiten sich körnige Materialien verhalten. Dies ganz im Gegensatz zu Flüssigkeiten: Dort gibt es eine Reihe von gut etablierten physikalischen Gesetzen und mathematischen Werkzeugen, um deren Verhalten zu beschreiben. Dies gilt insbesondere auch für instabile komplexe Mischungen wie Emulsionen, die sich nach kurzer Zeit neu anordnen.

Eine neue Ordnung entsteht

Forscher aus der Gruppe von Christoph Müller, Professor für Energiewissenschaft und -technik an der ETH Zürich, haben nun zusammen mit Wissenschaftlern der Columbia University in New York herausgefunden, dass sich Mischungen aus körnigen Materialien unter gewissen Umständen genau gleich verhalten wie instabile Flüssigkeitsmischungen und in diesen Fällen auch mit vergleichbaren physikalischen Gesetzen beschrieben werden können.

Für ihre Versuche ordneten die Forscher in einem schmalen Behälter schwere und leichte Körner in unterschiedlichen Konfigurationen an. Während der Experimente vibrierten sie den Behälter und liessen gleichzeitig von unten her Luft durchströmen. Durch diese beiden Massnahmen wurden die Körner «fluidisiert», so dass sie sich ähnlich zu verhalten begannen wie Flüssigkeiten. Von aussen beobachteten die Forscher dann, wie sich die Materialien im Behälter über die Zeit hinweg neu anordneten.

Gegensätzliche Strukturen

Legt man beispielsweise eine Schicht schweren Sand auf leichteren Sand, bewegen sich die leichten Körner durch die Fluidisierung aufgrund der geringeren Dichte nach oben und bilden dabei tropfenförmige Strukturen, die an zähe Flüssigkeiten erinnern. «Die Körner verhalten sich tatsächlich so, wie sich beispielsweise Öl in Wasser verhalten würde», erklärt Christopher McLaren, Doktorand in Müllers Gruppe. «Es entsteht eine komplexe Interaktion zwischen den beiden Materialien.»

Bettet man eine kleine Menge an leichtem Sand in schweren Sand, bewegt sich der leichte Sand mehr oder weniger als kompakter Tropfen nach oben. Im umgekehrten Fall hingegen entsteht ein komplexeres Muster: Eine Kugel aus schweren Körnern, umgeben von leichten Körnern, sinkt nicht einfach in sich geschlossen nach unten. Vielmehr spaltet sich die Kugel nach und nach in mehrere kleinere Tropfen auf und das Material verästelt sich mit der Zeit immer mehr.

Vielfältige Anwendungen

«Unsere Erkenntnisse sind für viele Anwendungen von Bedeutung», ergänzt Alexander Penn, der als Postdoktorand an den Versuchen beteiligt war. «Wenn man beispielsweise in der Pharmazie eine sehr homogene Pulvermischung herstellen möchte, muss man die Physik von solchen Materialien im Detail verstehen, damit man den Prozess gut kontrollieren kann.» Auch Geologen dürften sich für die Resultate interessieren; sie helfen ihnen, die Abläufe bei Hangrutschungen oder das Verhalten von sandigen Böden bei Erdbeben besser zu verstehen.

Und nicht zuletzt kommt der Arbeit auch in der aktuellen Energiedebatte eine gewisse Bedeutung zu. «Wenn man industrielle Prozesse analysiert, sieht man, dass ein grosser Teil der Energie für die Verarbeitung von körnigen Materialien verwendet wird», erklärt Penn. «Wenn wir wissen, wie wir körnige Materialien besser kontrollieren können, können wir energieeffizientere Verarbeitungsprozesse entwickeln.»

Originalveröffentlichung:
McLaren C et al.; "Gravitational instabilities in binary granular materials"; PNAS; 22. April 2019

Fakten, Hintergründe, Dossiers

Mehr über ETH Zürich

  • News

    Künstliche Intelligenz verbessert biomedizinische Bildgebung

    ETH-Forscher nutzen künstliche Intelligenz, um bei einer relativ neuen Methode der medizinischen Bildgebung die Bildqualität zu erhöhen. Dadurch lassen sich in Zukunft Krankheiten besser diagnostizieren und kostengünstigere Geräte herstellen. Wissenschaftler der ETH Zürich und der Universit ... mehr

    Resistenzen können sich auch ohne Antibiotika-Einsatz verbreiten

    Antibiotikaresistenzen verbreiten sich nicht nur dort, wo viel Antibiotika eingesetzt werden, schliessen ETH-Forscher aus Laborexperimenten. Das bedeutet: Um Resistenzen einzudämmen reicht es nicht, den Antibiotikaeinsatz zu reduzieren. Man sollte auch die Verbreitung resistenter Keime bloc ... mehr

    Wie geschickt Proteine zusammenarbeiten

    Bisher wusste man nur wenig über die für unsere Gesundheit so wichtige Zellteilung. Nun hat eine ETH-Forschungsgruppe erstmals alle daran beteiligten Proteine isoliert und untersucht – und damit die Basis für die Erforschung vieler Krankheiten geliefert. In unserem Körper entstehen durch Te ... mehr

  • q&more Artikel

    Analytik in Picoliter-Volumina

    Zeit, Kosten und personellen Aufwand senken – viele grundlegende sowie angewandte analytische und diagnostische Herausforderungen können mit Lab-on-a-Chip-Systemen realisiert werden. Sie erlauben die Verringerung von Probenmengen, die Automatisierung und Parallelisierung von Arbeitsschritte ... mehr

    Investition für die Zukunft

    Dies ist das ganz besondere Anliegen und gleichzeitig der Anspruch von Frau Dr. Irmgard Werner, die als Dozentin an der ETH Zürich jährlich rund 65 Pharmaziestudenten im 5. Semester im Praktikum „pharmazeutische Analytik“ betreut. Mit Freude und Begeisterung für ihr Fach stellt sie sich imm ... mehr

  • Autoren

    Prof. Dr. Petra S. Dittrich

    Jg. 1974, ist Außerordentliche Professorin am Department Biosysteme der ETH Zürich. Sie studierte Chemie an der Universität Bielefeld und Universidad de Salamanca (Spanien). Nach der Promotion am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen war sie Postdoktorandin am ISAS In ... mehr

    Dr. Felix Kurth

    Jg. 1982, studierte Bioingenieurwesen an der Technischen Universität Dortmund und an der Königlich Technischen Hochschule in Stockholm. Für seine Promotion, die er 2015 von der Eidgenössisch Technischen Hochschule in Zürich erlangte, entwickelte er Lab-on-a-Chip Systeme und Methoden zur Qua ... mehr

    Lucas Armbrecht

    Jg. 1989, studierte Mikrosystemtechnik an der Albert-Ludwigs Universität in Freiburg im Breisgau. Während seines Masterstudiums konzentrierte er sich auf die Bereiche Sensorik und Lab-on-a-Chip. Seit dem Juni 2015 forscht er in der Arbeitsgruppe für Bioanalytik im Bereich Einzelzellanalytik ... mehr

q&more – die Networking-Plattform für exzellente Qualität in Labor und Prozess

q&more verfolgt den Anspruch, aktuelle Forschung und innovative Lösungen sichtbar zu machen und den Wissensaustausch zu unterstützen. Im Fokus des breiten Themenspektrums stehen höchste Qualitätsansprüche in einem hochinnovativen Branchenumfeld. Als moderne Wissensplattform bietet q&more den Akteuren im Markt einzigartige Networking-Möglichkeiten. International renommierte Autoren repräsentieren den aktuellen Wissenstand. Die Originalbeiträge werden attraktiv in einem anspruchsvollen Umfeld präsentiert und deutsch und englisch publiziert. Die Inhalte zeigen neue Konzepte und unkonventionelle Lösungsansätze auf.

> mehr zu q&more

q&more wird unterstützt von:

 

Ihr Bowser ist nicht aktuell. Microsoft Internet Explorer 6.0 unterstützt einige Funktionen auf Chemie.DE nicht.