Forschungszentrum Jülich – Forschen in Jülich 2_2013

2|2013 Forschen in Jülich 13 durchs Wasser schwimmt. An großen Hohlkugeln wie Tischtennisbällen oder Tauchkugeln perlt dieses Dauerfeuer ab. Bei mikroskopisch kleinen Hohlkugeln verändern thermische Fluktuationen da- gegen die Oberfläche. Gompper illustriert das, indem er ein Blatt Papier zerknüllt und das Knäuel wie- der entfaltet. Das Blatt sieht aus wie eine Hügellandschaft mit chaotisch gesetzten Graten und Tälern. „Etwa so können Sie sich die Oberfläche einer Mikrokapsel vorstellen, wenn sie durch thermische Fluktuationen deformiert wurde.“ Dass dies nicht nur ästhetische Fol- gen hat, lässt sich ebenfalls durch ein Papier verdeutlichen. Gompper hält ein glattes Blatt an einer kurzen Seite hoch und schwingt es wie ein Pendel. Das Pa- pier wölbt sich, es ist elastisch. Dann macht er dasselbe mit dem zerknitterten Blatt. Es bleibt steif. „Glatte und zerknit- terte Oberflächen haben unterschiedli- che Eigenschaften. Eine davon ist die Steifheit. Wir haben untersucht, welchen Einfluss dies auf die Stabilität einer Hohlkugel hat.“ Um zu messen, wie stabil eine Hohl- kugel ist, führt man üblicherweise Druck- tests durch. Diese laufen so ähnlich ab, wie wenn man mit dem Daumen einen Tischtennisball immer weiter eindrückt, bis er dauerhaft verbeult ist. Die dafür nötige Kraft kann man mit einer Formel berechnen, die der berühmte Mathemati- ker, Luftfahrt-Ingenieur und Physiker Theodore von Kármán vor mehr als 50 Jahren aufgestellt hat. Gompper und Vlie- genthart haben nun getestet, ob diese Formel auch dann gilt, wenn die Hohlku- geln kleiner als 10 Mikrometer sind. VIRTUELLE EXPERIMENTE Dazu haben die Physiker am Computer eine virtuelle Hohlkugel modelliert, die Effekte der thermischen Fluktuation si- muliert und virtuelle Drucktests durch- geführt. Während die Kollegen aus Über- see an einer Theorie arbeiten, die die Konsequenzen der deformierten Ober- fläche mathematisch beschreibt, entwi- ckeln die Jülicher vor allem Simulations- methoden und Computermodelle. „Eine Ebene mit elastischer und zer- knitterter Oberfläche hatten wir schon vor sieben Jahren simuliert. Darauf habe ich aufgebaut, als ich eine virtuelle Hohl- kugel mit einer solchen unordentlichen Oberfläche aufgebaut habe“, erzählt Vliegenthart. Die Modellierung sei der aufwendigste Teil der Arbeit gewesen – Vliegenthart hat ei- ne Hohlkugel aus rund 100.000 Gitterpunkten gebaut, die jeweils durch Federn mit ihren Nachbarn auf der Oberfläche verbun- den sind. Anschlie- ßend führte er vir- tuelle Experimente durch: Wie in ei- nem echten Drucktest übte er punktuell und flächendeckend Druck auf die Hohlkugel aus – bis sie kollabierte. Diesen Versuch hat er unter verschiedenen Bedingungen wiederholt und gemessen, wie hoch der kritische Druck ist. Das Ergebnis: Man benötigt, je nach Größe, Material und Schalendicke, bis zu 50 Prozent weniger Kraft, als es die Kár- mánsche Formel voraussagt – eine Er- kenntnis, die Entwickler künftig berück- sichtigen werden, wenn sie den Einsatz von Nano-Fähren planen. :: Christoph Mann FORSCHUNG IM ZENTRUM | Simulation Thermische Fluktuation bedeutet, dass Atome immer in Bewegung sind. Dabei prasseln sie auch gegen benachbarte Oberflächen. An großen Hohlkugeln wie einem Tischtennisball perlt dieser Effekt ab. Bei winzigen Hohlkugeln wie Mi- krokapseln zerknittert das atomare Dauerfeuer jedoch die Oberfläche (Bild 1). Die Folge: Die Mikrokapsel hält weniger Druck stand und kolla- biert leichter (Bild 2). Knick in der Kugel Bild 2 Bild 1 Institut

Forschungszentrum Jülich – Forschen in Jülich 2_2013

Pages