11.02.2008 - Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

Warum kann jeder Sandburgen bauen?

Göttinger Max-Planck-Forscher gewinnen tiefe Einblicke in die komplexe Struktur feuchter Granulate

Wer sich am Strand an der Bildhauerei mit feuchtem Sand versucht, braucht einiges an Geschicklichkeit und Phantasie, aber kein Rezeptbuch: Der Wassergehalt ist nämlich für die mechanischen Eigenschaften des Sandes weitgehend unwichtig. Diese Beobachtung, die auch genauen Messungen im Labor standhält, lässt Forscher rätseln. Denn schon bei einem Gehalt von nur etwa drei Prozent bildet die Flüssigkeit im Innern des Gefüges eine hochkomplexe Struktur. Dennoch bleibt die mechanische Steifigkeit des nassen Sandes in einem Feuchtigkeitsbereich von weniger als einem bis weit über zehn Prozent praktisch konstant, obwohl sich die flüssige Struktur in seinem Innern enorm verändert. Forscher am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen, der "Australia National University" in Canberra, der Universität Erlangen, sowie dem ESRF in Grenoble haben deshalb die flüssigen Strukturen in feuchten Granulaten mittels Röntgen-Mikrotomographie untersucht und dabei ihre Gesetzmäßigkeit entschlüsselt.

Die Röntgen-Mikrotomographie ist in der Medizin auch unter dem Begriff Computertomographie bekannt. Wissenschaftler durchstrahlen dabei ein Objekt aus verschiedenen Winkeln mit Röntgenstrahlen und erstellen ein Schattenbild ähnlich einer gewöhnlichen Röntgenaufnahme. Ein Computer wertet alle diese Bilder aus und ermittelt, welche dreidimensionale Struktur das Objekt haben muss, um diese Schattenbilder zu erzeugen. Wenn Wissenschaftler dabei eine brillante Röntgenquelle nutzen, wie etwa die Synchrotron-Strahlungsquelle am ESRF in Grenoble, entstehen auf diese Weise Computertomographien mit einer Auflösung von wenigen Tausendstel Millimetern. Das ist genug, um die winzigen und dabei hochkomplexen flüssigen Strukturen aufzulösen, die sich in einem feuchten Granulat bilden, wie beispielsweise im Innern einer Sandburg.

Was Forscher zu sehen bekommen, ist zunächst verblüffend: Die Flüssigkeit durchsetzt das Granulat keineswegs vollständig, verdrängt also nicht die Luft aus den Zwischenräumen. Vielmehr entsteht ein filigranes Gebilde, in dem Flüssigkeit, Körner und Luft gleichermaßen nebeneinander bestehen. Der Grund hierfür ist recht leicht zu verstehen: Da die Flüssigkeit die Körner benetzt (sonst könnte man sie überhaupt nicht in das Granulat hineinbringen), möchte sie sich mit möglichst viel 'Korn' umgeben. Das geht am besten an den Kontaktstellen, an denen sich zwei Körner berühren. Der 'leere' Raum dazwischen ist für die Flüssigkeit relativ unattraktiv und füllt sich mit Luft.

Als die Göttinger Wissenschaftler nun die Geometrie dieser filigranen flüssigen Gebilde genauer untersuchten, stellten sie fest, dass sie nicht nur alle den gleichen Druck haben, sondern dass dieser auch unabhängig vom Flüssigkeitsgehalt sein muss. Dies ist der Schlüssel zu der universellen Steifigkeit des Materials: Der gleiche Druck entspricht einer gleichen Kraft im Inneren und führt somit zu gleichen mechanischen Eigenschaften des feuchten Granulats. "Diese Eigenschaften sind nicht nur beim Bau von Sandburgen entscheidend", erklärt Stephan Herminghaus, der Leiter der Studie. "Sie sind für die Pharma- und Lebensmittelindustrie ebenso relevant wie für das Verständnis mancher Naturkatastrophen, wie zum Beispiel Erdrutsche: Denn überall dort hat man es mit feuchten Granulaten zu tun, deren mechanische Eigenschaften wir nun besser verstehen."

Originalveröffentlichung: M. Scheel, R. Seemann, M. Brinkmann, M. DiMichiel, A. Sheppard, B. Breidenbach, S. Herminghaus; "Morphological clues to wet granular pile stability"; Nature Materials 2008.

Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

News weiterempfehlen PDF Ansicht / Drucken

Teilen bei

Fakten, Hintergründe, Dossiers
  • Druck
  • Synchrotronstrahlun…
  • Selbstorganisation
  • Röntgenstrahlung
  • Medizin
  • Labore
  • Granulate
  • ESRF
  • Canberra
Mehr über Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
  • News

    Nano-Rost: Smartes Additiv zur Temperaturüberwachung

    Die richtige Temperatur ist entscheidend – ob bei technischen Prozessen, für die Qualität von Lebensmitteln und Medikamenten oder für die Lebenszeit von Elektronikbauteilen und Batterien. Hierzu erfassen Temperaturindikatoren (un)erwünschte Temperaturerhöhungen, die später ausgelesen werden ... mehr

    Grüner Wasserstoff leuchtet pink

    Unsichtbares Wasserstoffgas für das bloße Auge sichtbar machen, um Gefahren durch Brände und Explosionen zu verhindern: Diese Idee haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Departments Chemie und Pharmazie und des Lehrstuhls für Thermische Verfahrenstechnik der FAU verwirklicht. Da ... mehr

    Rekordauflösung in der Röntgenmikroskopie

    Forschern der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), des Schweizer Paul-Scherrer-Instituts und weiterer Einrichtungen aus Paris, Hamburg und Basel ist ein Rekord in der Röntgenmikroskopie gelungen: Mit verbesserten Beugungslinsen und exakterer Positionierung der Proben err ... mehr

Mehr über Max-Planck-Gesellschaft
  • News

    Hohe harmonische Schwingungen beleuchten atomare und elektronische Bewegungen in hBN

    Laserlicht kann die Eigenschaften fester Materialien radikal verändern und sie sehr schnell supraleitend oder magnetisch machen oder in andere Zustände versetzen. Das intensive Licht bewirkt diese Veränderungen innerhalb von Millionstel Milliardstel Sekunden, indem es die Atomgitterstruktur ... mehr

    Markergene in Zellclustern finden

    Die abertausenden Zellen in einer biologischen Probe sind alle individuell unterschiedlich und lassen sich einzeln analysieren. Anhand der Gene, die in ihnen aktiv sind, lassen sie sich in „Cluster“ zusammen sortieren. Aber welche Gene sind besonders charakteristisch für Cluster, was sind a ... mehr

    Mikropartikel mit Gefühl

    Ein internationales Forschungsteam unter Leitung des Bremer Max-Planck-Instituts für Marine Mikrobiologie, der Universität Aarhus und des Science for Life Institute in Uppsala hat winzige Partikel entwickelt, die den Sauerstoffgehalt in ihrer Umgebung anzeigen. So schlagen sie zwei Fliegen ... mehr

Mehr über MPI für Dynamik und Selbstorganisation
  • News

    Ein Gedächtnis ohne Gehirn

    Wenn wir uns an vergangene Ereignisse erinnern, können wir klügere Entscheidungen für die Zukunft treffen. Forscherinnen des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation (MPI-DS) und der Technischen Universität München (TUM) haben jetzt herausgefunden, wie der Schleimpilz Physaru ... mehr

    Wirbelstürme im Herzen

    Allein in Deutschland stirbt alle fünf Minuten ein Mensch am plötzlichen Herztod, verursacht durch Kammerflimmern, der häufigsten Todesursache weltweit. Das liegt nicht zuletzt daran, dass Ärzte noch nicht verstehen, was dabei genau im Herzen passiert. Denn bislang war es nicht möglich, die ... mehr

    Krebsdiagnose in winzigen Tröpfchen

    Ein hochempfindliches Verfahren, mit dem sich die Anzahl der Krebszellen in einer Probe bestimmen lässt, haben Wissenschaftler von der Universität in Straßburg, der Université Paris Descartes, des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation und der amerikanischen Firma Raindance ... mehr

Mehr über European Synchrotron Radiation Facility