Mehrblasen-Wechselwirkungen zur akustischen Steuerung der viskoplastischen Rheologie weicher Materialien

• Antragsteller: Professor Dr. Claus-Dieter Ohl
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 575389690

Gasblasenoszillationen in Flüssigkeiten sind ein grundlegendes Phänomen der Strömungsmechanik mit hoher Relevanz für Akustik, Kavitationsprozesse und biomedizinische Anwendungen. Während das Verhalten einzelner Blasen in Newtonschen und viskoelastischen Fluiden gut verstanden ist, bleibt das kollektive Verhalten von Blasen in viskoplastischen (fließgrenzwertbehafteten) Medien bislang unzureichend charakterisiert. Aktuelle Studien zeigen, dass Blasenoszillationen in viskoplastischen Fluiden wie Carbopol-Gelen lokale plastische Fließvorgänge auslösen, nicht lineare Hystereseeffekte zeigen und die umgebende Rheologie beeinflussen können. Bestehende Modelle beschränken sich jedoch auf isolierte Blasen und erfassen weder die Kopplung zwischen Blasen, das Entstehen von Einschlusszuständen noch irreversible Mikrostrukturveränderungen. Dieses Vorhaben zielt darauf ab, diese Lücke durch eine kombinierte experimentelle und theoretische Untersuchung der Mehrblasen-Dynamik in viskoplastischen Umgebungen zu schließen. Unsere zentrale Hypothese ist, dass Ensembles akustisch angeregter Mikroblasen als aktive rheologische Agenten wirken können, gezielte Mikrostrukturübergänge auslösen und den mechanischen Zustand des Mediums modulieren. Zur Überprüfung dieser Hypothese werden wir (i) Hochgeschwindigkeitsaufnahmen von Blasenensembles in rheologisch gut charakterisierten viskoplastischen Gelen durchführen, (ii) eine akustische Rheometrieplattform entwickeln, um unter definiertem Ultraschall die rheologischen Änderungen zu quantifizieren, (iii) Rasterkraftmikroskopie (AFM) einsetzen, um verbleibende Deformationen und Steifigkeitsverteilungen nach der Blasenoszillation abzubilden, und (iv) umfassende prädiktive Modelle entwickeln, die Blasendynamik mit nicht linearer Rheologie koppeln. Unsere Vorarbeiten belegen sowohl die experimentelle Machbarkeit als auch eine enge Übereinstimmung mit theoretischen Vorhersagen. Das beantragte Forschungsvorhaben wird den ersten quantitativen Rahmen zur blaseninduzierten rheologischen Steuerung viskoplastischer Medien schaffen und neue Strategien zur Entwicklung akustisch rekonfigurierbarer weicher Materialien ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Australien
• Kooperationspartner: Professor Dr. Hongjie An