Ob Milch oder Mayonnaise, ob Farben oder Tinte, ob Proteine oder DNA – sie alle gehören zur "Weichen Materie", deren physikalischen Eigenschaften bislang kaum erforscht sind. Nun haben Wissenschaftler der Technischen Universität Wien entdeckt, dass Teilchen dieser Materie selbst bei gegenseitiger Abstoßung in einer Lösung zusammenklumpen. Diese scheinbar widersprüchliche Clusterbildung hat eine grundlegende Bedeutung für das Verständnis der Wechselwirkung zwischen Polymeren. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Physical Review Letters.
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"Rein intuitiv betrachtet, können in einer Flüssigkeit Teilchen nur dann zusammenklumpen, wenn sie sich anziehen," erläutert Gerhard Kahl vom Institut für Theoretische Physik der Technischen Universität Wien. „Jetzt aber konnten wir zeigen, dass dies nicht immer so sein muss. Auch Teilchen, die einander völlig abstoßen, können Cluster bilden." Die dafür notwendigen Voraussetzungen können in einer bestimmten Art der "Weichen Materie", den kolloidalen Dispersionen, gegeben sein. In solchen Systemen sind verhältnismäßig große Teilchen wie beispielsweise Polymere in einem Lösungsmittel gelöst, das aus deutlich kleineren Teilchen aufgebaut ist.
Verklumpung trotz Abstoßung
Für solche Lösungen hat das Team mit KollegInnen der Universitäten Wien und Düsseldorf nun Berechnungen durchgeführt, die eindeutig zeigen: Stoßen sich Teilchen gegenseitig ab, dann können sie trotzdem zusammenklumpen, wenn zwei Voraussetzungen erfüllt sind. Erstens müssen sich die Teilchen gegenseitig überlappen können, und zweitens müssen die abstoßenden Kräfte mit zunehmender Entfernung zwischen den Teilchen sehr rasch geringer werden.
Sind diese Bedingungen erfüllt, dann kommt es zu dem scheinbar widersprüchlichen Verhalten der Teilchen. Ihre überraschenden Voraussagen konnten die Mitarbeiter Bianca Mladek und Dieter Gottwald mit komplexen Computersimulationen bestätigen. Weitere unerwartete Ergebnisse konnten für das Verhalten der Teilchen unter Druckeinwirkung gefunden werden. "Unter höherem Druck", so Kahl, "ordnen sich die Cluster in Kristallen an. Noch mehr erstaunt haben uns die Ergebnisse zusätzlicher Untersuchungen. Diese zeigen nämlich, dass bei weiterer Kompression der Abstand zwischen den kristallin geordneten Clustern konstant bleibt, eine Eigenschaft, die durch die Ansammlung von mehr und mehr Teilchen in den Clustern ermöglicht wird." Diese Ergebnisse stehen im Gegensatz zum Verhalten anderer geordneter Systeme wie metallischer Festkörper, in denen sich unter Druck die Gitterabstände verringern.
Griff in die Trickkiste
Solche Berechnungen waren auf Grund der hohen Komplexität kolloidaler Dispersionen nur durch mathematische Tricks möglich. Dazu Kahl: "Die statistische Mechanik ist Grundlage unserer Berechnungen an Weicher Materie. Allerdings stellt die große Zahl an Freiheitsgraden der größeren Teilchen der Dispersionen ein Problem dar. Durch geeignete Mittelung konnten wir die Zahl der Freiheitsgrade drastisch reduzieren, sodass die Berechnung des Verhaltens der Teilchen nur noch von einer kleinen Zahl von Koordinaten abhängt." Für Kahl sind die so gewonnenen und zum Teil sehr unerwarteten Ergebnisse illustrative Beispiele dafür, dass die Natur eine große Vielfalt an Lösungen anbietet, um Teilchen energetisch optimal anzuordnen – und viele dieser Lösungen sind noch unbekannt.
(prd – Technische Universität Wien, 14.03.2006 – AHE)
