Phasenübergang in dichter granularer Materie



Granulate kommen häufig in der industriellen Anwendung, aber auch in unserem Alltag vor, etwa in Form von Zucker, Kaffee- oder Waschpulver. Viele Rohstoffe werden in granularer Form transportiert und anschließend weiterverarbeitet. Da oft sehr große Mengen an granularem Material bewegt werden, spielt dabei der Aufwand an Energie eine erhebliche Rolle. Neben der praktischen Bedeutung sind einige spezielle Aspekte, wie etwa der Übergang von fließenden zu ruhenden Granulaten, auch von großem Interesse für grundlegende physikalische Fragen.

Die Anordnung der Teilchen in einem Granulat kann so beschaffen sein, dass zwischen den einzelnen Partikeln relativ viele und große Hohlräume existieren. Solch ein Granulat kann durch Druckkräfte zusammengepresst werden, bis die Größe und Anzahl der Hohlräume ein Minimum erreichen, beziehungsweise die Packungsdichte der Teilchen im Granulat maximal wird. Man denke in diesem Zusammenhang an einen losen Haufen Kaffeepulver im Vergleich zu vakuumverpackten Kaffeepulver.

Ziel des Experimentes ist die Untersuchung des Übergangs von losen instabilen Granulaten zu dichten Packungen, die aufgrund der Einwirkung äußerer Druckkräfte stabil sind. In zweidimensionalen Granulaten, welche nur aus einer einzigen horizontal angeordneten Teilchenschicht bestehen, ist der Einfluss der Schwerkraft am geringsten. Denn hier sind keine oberen Teilchenschichten vorhanden, die auf die unteren drücken würden. In diesen Granulaten wurde der Übergang von losem Granulat zu dichter Packung bereits sehr präzise vermessen. Direkt am Übergang gibt es deutliche Hinweise auf universelles Verhalten, welches mit Hilfe so genannter kritischer Exponenten beschrieben werden kann. Die kritischen Exponenten haben einen allgemeinen Charakter, das heißt: Sie sind nicht vom konkreten Material des Systems abhängig, sondern von der Art des Übergangs.
 
Um in drei Dimensionen den Übergang zu vermessen, muss verhindert werden, dass die stabile Packung allein schon durch die Schwerkraft entsteht und so die kritischen Phänomene verdeckt werden. Die Ergebnisse der Experimente aus den Parabelflügen sollen helfen, theoretische Modelle für den Übergang zwischen stabilen und instabilen granularen Packungen zu testen.


Kontakt
Dr.rer.nat. Matthias Sperl
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Institut für Materialphysik im Weltraum

Tel: +49 2203 601-3434

E-Mail: Matthias.Sperl@dlr.de
Peidong Yu
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
, Institut für Materialphysik im Weltraum
URL dieses Artikels
http://www.dlr.de/rd/desktopdefault.aspx/tabid-5174/8705_read-15575/