The Non-Equilibrium Physics of colloidal Sedimentation

Albert Einstein, der Vater der Relativitätstheorie, war auch der Held einer weiteren großen wissenschaftlichen Entdeckung: der Brownschen Bewegung. Letzteres ist die ungeordnete Bewegung kleiner Partikel – sogar kleiner als ein Hundertstel des Durchmessers eines Haares – in einer Flüssigkeit wie Wasser. Dank Einstein und seinen Zeitgenossen wissen wir heute, dass diese Teilchen unaufhörlich von den Molekülen der Flüssigkeit angestoßen werden und sich aufgrund dieser molekularen Stöße scheinbar zufällig in einem größeren Maßstab bewegen.

Eines der entscheidenden Experimente zur Bestätigung dieser molekularen Hypothese wurde von Jean Perrin durchgeführt, der verstand, dass diese molekularen Kollisionen stark genug sein würden, um die Ansammlung der Partikel am Boden eines Behälters zu vermeiden, sondern eher eine weitere verursachen würden kontinuierliche Verteilung mit mehr Partikeln am Boden und einer abnehmenden, aber nicht vernachlässigbaren Anzahl, wenn sie sich im Rest des Behälters nach oben bewegen. Das ist das sogenannte Sedimentationsprofil, für dessen Messung Perrin 1926 den Nobelpreis für Physik erhielt.

Während der Bildung des Profils bewegt sich jedes Teilchen aus zwei Gründen auf faszinierende und scheinbar zufällige Weise: Der erste ist die Brownsche Bewegung, und der zweite ist die Tatsache, dass die Bewegung eines Teilchens seitdem die Bewegung eines anderen Teilchens beeinflusst Sie befinden sich in der gleichen Flüssigkeit. Dieser letztere Effekt ist in einer plötzlich umgedrehten Schneekugel deutlich sichtbar, wo jedes Teilchen wandert und seine Richtung ändert, bis es schließlich den Boden der Kugel erreicht.

Trotz des Interesses und der umfangreichen Untersuchungen, die im letzten Jahrhundert durchgeführt wurden, wissen wir immer noch nicht, wie wir die während der Profilbildung auftretenden Schwankungen erklären und kontrollieren können. Die Gewinnung dieses Wissens wäre aus grundlegenden Gründen sowie für Anwendungen wichtig, da die Sedimentation ein sehr häufiger Prozess ist, der spontan in der natürlichen Umgebung auftritt und in vielen industriellen Anwendungen wie der Wasserreinigung oder der Weinherstellung weit verbreitet ist.

In diesem Projekt werden wir auf den Spuren von Einstein und Perrin neuartige Ansätze der quantitativen Mikroskopie und fortschrittliche Computersimulationen kombinieren, um den Reichtum des Sedimentationsprozesses in allen Einzelheiten in Modellproben zu erfassen, die in unserem Labor geeignet hergestellt werden. Die Kernidee unserer Experimente ist es, die klassischen seitlichen Beobachtungen der Probe mit Beobachtungen „von oben“ zu kombinieren. Unsere Erwartung, basierend auf früheren theoretischen Arbeiten, ist, dass diese neue Beobachtungsgeometrie das fehlende Stück zum Verständnis der während der Sedimentation auftretenden Fluktuationen liefern wird. Über die Beantwortung grundlegender offener Fragen hinaus wird unser Projekt neuartige optische Werkzeuge für die akademische Forschung und die Industrie verfügbar machen.

Einige unserer Experimente werden auch an Bord der Internationalen Raumstation durchgeführt, wo wir unsere Studien sowohl in Mikrogravitation als auch unter kontrollierten künstlichen Schwerkraftbedingungen durchführen können.