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Linien Strukturbildung in eingeschränkten Geometrien

Fachliche Zuordnung Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
Experimentelle Physik der kondensierten Materie
Theoretische Physik der kondensierten Materie
Förderung Förderung von 2016 bis 2023
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 299102402
 
Erstellungsjahr 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Bildung von Bahnen ist ein allgegenwärtiges Phänomen, das beispielsweise bei der Bewegung von Fußgängern in einer belebten Gegend oder bei Ameisen, die Futterspuren folgen, zu beobachten ist. All diesen Systemen ist gemeinsam, dass sich Objekte in entgegengesetzte Richtungen bewegen und dass die gegenseitigen Wechselwirkungen zwischen diesen Objekten dazu führen, dass es günstiger ist, dem sich vorausbewegenden Objekt zu folgen, als gegen den Strom der entgegenströmenden Körper zu laufen. Die Hauptfrage, die sich in diesem Zusammenhang stellt, ist, ob der Übergang von einem ungeordneten Teilchengemisch zu einem geordneten Zustand in Bahnen ein stabiler Phasenübergang oder eher ein vorübergehendes Phänomen in einem System außerhalb des Gleichgewichts ist. Daher werden Modellsysteme verwendet, mit denen die Bildung von Bahnen unter verschiedenen Bedingungen untersucht werden kann, um die Art dieses Übergangs zu ermitteln. In diesem Projekt konzentrieren wir uns auf Systeme aus kolloidalen Teilchen, die in engen Kanälen auf einer Substratebene eingeschlossen sind. Die Teilchen bilden somit ein quasi 2-dimensionales Ensemble, das durch eine treibende Kraft in Bewegung gesetzt werden kann. Um die Bewegung im Gegenstrom zu erleichtern, haben wir experimentell und theoretisch Mischungen von Teilchen untersucht, die unterschiedlich auf die Antriebskräfte reagieren. Da eine reale Gegenströmung experimentell schwer zu realisieren ist, untersuchten wir, ob Teilchen, die sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten in die gleiche Richtung bewegen, ebenfalls die Bildung von Bahnen zeigen. Wir konnten den Übergang zur Bewegung in Bahnen hir Partikelmischungen mit 2 und 3 verschiedenen Partikelsorten in Simulationen feststellen. Darüber hinaus fanden wir einen neuartigen Effekt, der bislang nur in Mischungen von Teilchen in Bewegung gefunden worden ist: In Mischungen aus kleinen und großen Partikeln, die sich in der Nähe einer Kanalwand in die gleiche Richtung bewegen, werden die kleinen Partikel in Richtung der Wand geschoben, im Gegensatz zu Verarmungseffekten in nicht bewegten Systemen, die zum gegenteiligen Effekt führen. Dieser Effekt konnte in experimentellen Realisierungen von Mischungen von Teilchen, die in einem engen Kanal auf einer geneigten Probenoberfläche hinuntergleiten, reproduziert werden. Bei sehr langen Simulationszeiten deuten erste Ergebnisse darauf hin, dass die Strukturbildung in der langen Zeitgrenze durch Minimierung der Anzahl der Grenzflächen zwischen den Regionen mit unterschiedlichen Teilchengeschwindigkeiten erfolgt, was die Entmischung begünstigt. In diesem Grenzfall für lange Zeiten konnenjedoch auch andere physikalische Phänomene die experimentell beobachtbaren Eigenschaften der Systeme beeinflussen. So konnten wir in diesem Projekt nachweisen, dass die Bildung von Bahnen stabile Phänomene in Mischungen von Teilchen sind, die sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten in dieselbe Richtung bewegen, zumindest für experimentell zugängliche Zeiten. Diese Beobachtung fügt dem bestehenden Wissen über die Bildung von Bahnen in der Bewegung von Teilchenensembles eine neue Dimension hinzu.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

 
 

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