Granulare Materie
MEGraMa: Ein Experiment mit magnetisch angeregten granularen Teilchen auf einer Forschungsrakete. Die Dynamik dieser Teilchen kann sowohl unter Antrieb als auch ohne untersucht werden. Granulare Materie ist definiert als eine Ansammlung von Teilchen, die groß genug sind, dass thermische Bewegungen unbedeutend werden und die Dissipation bei Kollisionen der Teilchen die Dynamik dominiert. Granulare Materie ist sowohl in vielen Anwendungen relevant als auch für das fundamentale Verständnis von Vielteilchensystemen.
Durch die Verflechtung von Theorie, Simulation und Experimenten wird das makroskopische Verhalten granularer Systeme untersucht. Dies geschieht auf Basis von Eigenschaften auf Teilchenebene wie dissipative Interaktionen, Teilchenform und -größe sowie Ladungen und Systemzusammensetzung.
Mit zunehmender Dichte werden granulare Gase, granulare Flüssigkeiten und granulare Packungen im Rahmen der statistischen Physik ungeordneter Medien diskutiert, die vom Gleichgewicht in Nicht-Gleichgewichtszustände übergehen. Für granulare Gase können magnetische Kräfte als Thermostat in der Mikrogravitation genutzt werden, was eine Dynamik ermöglicht, die der thermischen Bewegung ähnelt, aber dennoch davon abweicht. Infolgedessen können viele Aspekte der Dynamik granularer Gase untersucht werden, um die Entwicklung von Lehrbuchwissen in diesem Bereich zu unterstützen und zu überprüfen.
Für dichtere Systeme werden Lichtstreuung und Rheologie verwendet, um angeregte granulare Flüssigkeiten zu untersuchen. Sowohl herkömmliche Laserquellen als auch Terahertz-Strahlung werden eingesetzt, um Struktur und Dynamik in diesem Regime zu erfassen. Das Streuexperiment Soft-Matter Dynamics wurde 2018 von Alexander Gerst an Bord der Internationalen Raumstation ISS installiert.
Der dichteste Zustand granularer Packungen ist definiert durch individuelle Teilchen, die dauerhafte Kontakte bilden: Die Kontakte können quantitativ durch Spannungsdoppelbrechung sowohl in 2D als auch in 3D überwacht werden. Das Verhalten des gesamten Systems wird auch durch Schall gemessen, der mit abnehmendem Druck auf den Haufen zunehmend langsamer wird. Um Gradienten zu vermeiden, werden Experimente auch in der Mikrogravitation durchgeführt.
Experimente in der Gruppe werden durch mikroskopische Theorien für granulare Flüssigkeiten und granulare Rheologie ergänzt und motiviert. Ebenso wird die numerische Simulation verwendet, um grundlegende Vorhersagen zu untersuchen und den sonst nicht zugänglichen Parameterraum zu erweitern.
Die Forschung zu granularer Materie am Institut konzentriert sich derzeit auf:
- Verständnis der makroskopischen Eigenschaften granularer Materie aus Teilchen-Teilchen-Interaktionen
- Mikrogravitations- und Laborexperimente für granulare Gase, Flüssigkeiten und Packungen
- Theorie und Experimente zur granularen Rheologie