Wenn sich Sand wie Öl verhält

K?rnige Materialien wie Sand, Reis oder Kaffee spielen bei vielen Vorg?ngen eine zentrale Rolle. Nicht nur in der Natur sind diese Stoffe wichtig, wo sie beispielsweise das Verhalten von Lawinen oder Sandd¨¹nen pr?gen, sondern auch in der Industrie. Bei der Herstellung von Arzneimitteln oder Lebensmitteln gilt es immer wieder, k?rnige Materialien m?glichst effizient zu verarbeiten.

Trotz der Vielfalt an praktischen Anwendungen versteht man jedoch erst ansatzweise, nach welchen physikalischen Gesetzm?ssigkeiten sich k?rnige Materialien verhalten. Dies ganz im Gegensatz zu Fl¨¹ssigkeiten: Dort gibt es eine Reihe von gut etablierten physikalischen Gesetzen und mathematischen Werkzeugen, um deren Verhalten zu beschreiben. Dies gilt insbesondere auch f¨¹r instabile komplexe Mischungen wie Emulsionen, die sich nach kurzer Zeit neu anordnen.

Eine neue Ordnung entsteht

Forscher aus der Gruppe von Christoph M¨¹ller, Professor f¨¹r Energiewissenschaft und -technik an der ETH Z¨¹rich, haben nun zusammen mit Wissenschaftlern der Columbia University in New York herausgefunden, dass sich Mischungen aus k?rnigen Materialien unter gewissen Umst?nden genau gleich verhalten wie instabile Fl¨¹ssigkeitsmischungen und in diesen F?llen auch mit vergleichbaren physikalischen Gesetzen beschrieben werden k?nnen.

F¨¹r ihre Versuche ordneten die Forscher in einem schmalen Beh?lter schwere und leichte K?rner in unterschiedlichen Konfigurationen an. W?hrend der Experimente vibrierten sie den Beh?lter und liessen gleichzeitig von unten her Luft durchstr?men. Durch diese beiden Massnahmen wurden die K?rner ?fluidisiert?, so dass sie sich ?hnlich zu verhalten begannen wie Fl¨¹ssigkeiten. Von aussen beobachteten die Forscher dann, wie sich die Materialien im Beh?lter ¨¹ber die Zeit hinweg neu anordneten.

Gegens?tzliche Strukturen

Legt man beispielsweise eine Schicht schweren Sand auf leichteren Sand, bewegen sich die leichten K?rner durch die Fluidisierung aufgrund der geringeren Dichte nach oben und bilden dabei tropfenf?rmige Strukturen, die an z?he Fl¨¹ssigkeiten erinnern. ?Die K?rner verhalten sich tats?chlich so, wie sich beispielsweise ?l in Wasser verhalten w¨¹rde?, erkl?rt Christopher McLaren, Doktorand in M¨¹llers 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 K?rnern, umgeben von leichten K?rnern, sinkt nicht einfach in sich geschlossen nach unten. Vielmehr spaltet sich die Kugel nach und nach in mehrere kleinere Tropfen auf und das Material ver?stelt sich mit der Zeit immer mehr.

Vielf?ltige Anwendungen

?Unsere Erkenntnisse sind f¨¹r viele Anwendungen von Bedeutung?, erg?nzt Alexander Penn, der als Postdoktorand an den Versuchen beteiligt war. ?Wenn man beispielsweise in der Pharmazie eine sehr homogene Pulvermischung herstellen m?chte, muss man die Physik von solchen Materialien im Detail verstehen, damit man den Prozess gut kontrollieren kann.? Auch Geologen d¨¹rften sich f¨¹r die Resultate interessieren; sie helfen ihnen, die Abl?ufe bei Hangrutschungen oder das Verhalten von sandigen B?den 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 f¨¹r die Verarbeitung von k?rnigen Materialien verwendet wird?, erkl?rt Penn. ?Wenn wir wissen, wie wir k?rnige Materialien besser kontrollieren k?nnen, k?nnen wir energieeffizientere Verarbeitungsprozesse entwickeln.?