Neue Methode macht Ausdehnung trüber Tropfen im Wasser sichtbar

Bei der Fahrt durch eine Nebelbank helfen Autoscheinwerfer nur bedingt, da das Licht durch in der Luft befindliche Wasserpartikel gestreut wird. Ähnlich verhält es sich, wenn man versucht, das Innere eines Milchtropfens in Wasser oder die innere Struktur eines Opals mit weißem Licht zu beobachten. In all diesen Fällen verhindern mehrfache Lichtstreueffekte die Untersuchung des Innenraums.

Ein Forscherteam der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) hat diese Schwierigkeit überwunden und eine neue Methode zur Untersuchung des Inneren eines Kristalltropfens demonstriert. Ihre Ergebnisse wurden kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht Weiches Material.

Monochromatische Beleuchtung verdeutlicht das Problem

Wir alle kennen das Ergebnis, wenn man einen Tropfen Tinte in Wasser gibt: Die Tintenpartikel verteilen sich nach und nach durch einfache Diffusion. Dies ist jedoch nicht unbedingt dasselbe, wenn wir einen Tropfen betrachten, der aus Partikeln besteht, die sich gegenseitig stark abstoßen.

Es gibt einige Simulationen für bestimmte ziemlich exotische Materialien wie staubiges Plasma, das wie das Material, aus dem die Sonne besteht, aus abstoßenden Teilchen besteht. Vorhersagen über Tropfen, die aus in einer Flüssigkeit suspendierten abstoßenden Partikeln bestehen, fehlten. Auch experimentell erwiesen sich alle Versuche, das dreidimensionale Verhalten eines solchen Tropfens zu messen, als vergeblich.

Allerdings haben Forscher nun mit sehr einfachen Laborgeräten eine Methode entwickelt, mit der sich Fälle untersuchen lassen, in denen weißes Licht nicht eindringen kann und der Einsatz von Röntgenstrahlen nicht sinnvoll wäre. Ihr Ansatz nutzt die Tatsache aus, dass die Farbe mehrfach gestreuten Lichts von der lokalen Partikelkonzentration abhängt. Dieser Effekt wird noch verstärkt, wenn das Material kristallin ist. Dadurch erscheinen Bereiche unterschiedlicher Partikelkonzentration in unterschiedlichen Farben.

Prinzipiell leuchten konzentrierte Bereiche leuchtend blau, andere, wo die Partikel weiter voneinander entfernt sind, weisen einen rötlichen Farbton auf. Durch die Beleuchtung des Tropfens mit weißem Licht, das eine Mischung verschiedener Wellenlängen ist, werden alle Farben gleichzeitig gestreut und es ist praktisch unmöglich, den genauen Ursprung jeder Farbe im gesamten wolkigen, weißlichen Tropfen zu bestimmen.

„Wir haben diese Schwierigkeit überwunden, indem wir die Tropfen nacheinander mit verschiedenen monochromatischen Lichtern, also Lichtern einzelner Wellenlängen, beleuchtet haben“, erklärt Professor Palberg von der JGU. Für jede Wellenlänge trat Mehrfachstreuung nur in Bereichen mit geeigneter Partikelkonzentration auf, während der Rest des Tropfens für diese Wellenlänge transparent wurde.

„So können wir genau sehen, wo das rote oder blaue Licht aus der Tiefe des Tropfens gestreut wurde. Mit unserer Technik können wir nun mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung das Dichteprofil kristalliner und trüber Tropfen untersuchen und.“ sogar das anderer trüber Medien.

Diese Methode könnte beispielsweise zur Analyse von Konzentrationsgradienten sedimentierten Schlamms oder zur Bestimmung des Homogenisierungsgrads nützlich sein, der durch das Rühren von mit einem Lösungsmittel verdünnter Farbe erreicht wird.

Komplexes Ausdehnungsprofil von Kristalltropfen

In ihrer aktuellen Arbeit wandten die Forscher ihre neue Methode an, um Tropfen einer Suspension zu untersuchen, die aus kleinen, gleich geladenen und daher abstoßenden Polymerkügelchen besteht, die in Wasser suspendiert sind. Diese Partikel interagieren zunächst so stark, dass die unverdünnte Suspension ein polykristallines Material bildet. Eine solche Suspension ähnelt im Aussehen stark einem Edelsteinopal und weist eine sehr starke Mehrfachdiffusion auf. Sobald jedoch ein Tropfen ins Wasser gegeben wird, beginnt er sich auszudehnen.

„Dank dieser Pionierarbeit konnten wir feststellen, dass das Ausdehnungsprofil dieses kristallinen Materials relativ komplex ist. Es gibt weder eine konstante Gesamtdichte mit einer genau definierten Außenkante, noch ein einfaches Diffusionsprofil, wie wir es von a erwarten würden.“ Tropfen nicht abstoßender Partikel in einem flüssigen Medium“, sagte Palberg.

Zudem kommt es zunächst zu einer schnellen Ausdehnung der Kristallkugel durch gegenseitige Abstoßung der Teilchen, bevor die Kristalle am Rand des Tropfens aufgrund ihrer Verdünnung zerfallen und der Tropfen allmählich zu schrumpfen beginnt.

Während die Laborexperimente an der Universität Mainz durchgeführt wurden, führte das Team von Professor Hartmut Löwen von der HHU eine theoretische Modellierung des Dichteprofils auf Basis der dynamischen Dichtefunktionaltheorie durch.

„Es gibt eine vielversprechende Korrelation zwischen den experimentellen und den Modellierungsergebnissen, was auf die gute Vorhersagekraft dieser Art von Theorie hinweist“, sagte Löwen.

Tatsächlich zeigte das berechnete Dichteprofil auch eine maximale zentrale Dichte und einen radialen Dichtegradienten, der mit der Zeit abflachte. Bemerkenswerterweise wurde sogar der Zeitpunkt der maximalen Ausdehnung des Kristalltröpfchens genau vorhergesagt. Wir können daraus schließen, dass die Größe eines Tropfens durch zwei gegensätzliche Prozesse bestimmt wird: Er dehnt sich kontinuierlich aus und schmilzt gleichzeitig an seiner Kontur.

„Das Zusammenspiel dieser beiden Prozesse führt zu einem Expansionsszenario, das sich qualitativ von dem unterscheidet, was die Plasmamodellierung vorhergesagt hat“, schlussfolgern die Forscher. Sie planen nun, ihre Forschung fortzusetzen, indem sie den Grad der Partikelabstoßung systematisch variieren, um herauszufinden, wie sich dieser auf das Dichteprofil und die Expansionsdynamik auswirkt.