Komplexe Materie: Ein Streifzug durch die weichen Substanzen

Seifenblasen organisieren sich selbst

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Seifenblasen sind besonders simple selbstorganisierende Strukturen. In den Wänden stecken dicht an dicht Kaulquappen ähnliche Moleküle, deren Schwänze in die Luft, deren Köpfe in das Wasser der Seifenlösung weisen. Die verschiedenen Vorlieben der Enden der Seifenmoleküle sind der Grund für die Reinigungskraft der Seife: Seife kann Schmutzfett mit Wasser verbinden und macht es so entfernbar.
(Quelle: Ralf Stannarius, Universität Leipzig)

Als der deutsche Augenarzt Mettenheimer im Jahre 1895 flüssiges Myelin mit seinem Polarisationsmikroskop betrachtete (Myelin ist eine Nervenfasern um-hüllende Substanz) sah er unter den gekreuzten Polarisatoren - besonderen Lichtfiltern, die sich auch in Sonnenbrillen finden - helle, leuchtende Farben, was für Flüssigkeiten ganz ungewöhnlich ist. Flüssigkeiten sind unter gekreuzten Polarisatoren gewöhnlich dunkel, weil sie den Polarisationszustand des Lichtes nicht verändern. Myelin dagegen verhielt sich optisch wie ein "doppelbrechender" Kristall, der die Polarisationsebene des Lichtes beinflusst. Mettenheimer wusste diese Eigenschaft des Myelins nicht zu deuten; heute wissen wir: Myelin ist ein Flüssigkristall.

Polarisationszustand

Eine auf und ab geschwungene Wäscheleine gleicht einer Welle, die nur in einer Ebene schwingt. Bei einer Lichtwelle spricht man dann von polarisiertem Licht. Normales Licht ist ein in vielen Ebenen schwingendes Wellengemisch. Polarisationsfilter machen daraus polarisiertes Licht. Zwei Filter hintereinander, die senkrecht zueinander schwingende Wellen erzeugen, sperren das Licht ganz aus. Liegt aber zwischen den Filtern eine Substanz, die die Polarisationsform des Lichts verändert, dann erscheint nach dem zweiten Filter meist etwas Buntes.

Flüssigkristalle

Flüssigkristalline Substanzen weilen in einem eigentümlichen Zustand zwischen fest und flüssig; sie fließen wie Flüssigkeiten, jedoch sind ihre länglichen Moleküle auf bestimmte Richtungen fixiert wie die Sardinen in einem Sardinenschwarm. Diese Eigenschaften haben Flüssigkristallen ein breites Anwendungsfeld erschlossen, etwa bei Flachbildschirmen (LCDs). In der Natur sind Flüssigkristalle etwas durchaus Gewöhnliches, sogar Unentbehrliches; selbst der einfachste Einzeller hat eine Außenhaut aus Flüssigkristallen.

Weiche Materie: Polymere

Kristallen spalten Licht in ein Spektrum auf

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In vielen Kristallen, aber auch in verspannten Materialien wie einem gequetschten Pudding, teilt sich das Licht und läuft verschiedene Pfade mit verschiedenen Geschwindigkeiten entlang. Bei "gekreuzten" Polarisationsfolien überlagern sich die Teilwellen am Ende so, dass einzelne Farben ausgelöscht werden: die Verspannung wird als Regenbogen-Spektakel sichtbar. Die Spannungsoptik studiert mit diesem Effekt die Belastungsspitzen von Brückenkonstruktionen etc.. (Foto: Bergerhof Studios, Suzy Coppens)

Flüssigkristalle sind heute zusammen mit anderen neuen und alten Materialien (wie feuchtem Ton) als "weiche Materie" oder "weiche kondensierte Materie" mehr und mehr Gegenstand auch der Physik. Aus teils sehr handfesten Gründen: mit Polymeren, Kolloiden und Flüssigkristallen setzt die Industrie Milliarden um. Andererseits ist "weiche Materie" auch theoretisch reizvoll. So hat die statistische Analyse von Seifenschäumen gewisse Ähnlichkeit mit der String-Theorie, die die Quantenphysik mit den Gesetzen der Schwerkraft zu vereinigen sucht. Und die für die Elementarteilchenphysik entwickelte Theorie der "Renormierungsgruppen" taugt auch für die Deutung der spontanen Strukturbildung in weicher und körniger Materie, die Entstehung von Wolken, Wellen, oder Riffeln im Sand.

Zu den derzeit ökonomisch attraktivsten Formen weicher Materie gehören Polymere. Polymere sind Materialien aus großen Kettenmolekülen, die wiederum meist aus Aneinanderreihungen vieler, bis zu Zehntausenden simpler Untereinheiten, so genannter Monomere, bestehen. Polymere gibt es mit einer Vielzahl von Eigenschaften, abhängig von ihrer chemischen und topologischen Struktur. Zur Stoffklasse der Polyimide gehören Materialien, die noch Temperaturen von 300 Grad Celsius standhalten; Siloxane sind noch bei minus 20 Grad Celsius flexibel.

Auch Polymere können Flüssigkristallphasen bilden, in denen sich die Makromoleküle parallel in einer Vorzugsrichtung orientieren. Im festen Zustand sind diese Materialien - etwa Kevlar - extrem belastbar, und Fasern daraus können stärker als Stahl sein.

Leuchtende Polymere

Leuchtpolymere in einer Geldkarte

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Eine Cashcard für den Anfang: Leuchtende Polymere, Plastikmaterialien, werden schon bald weite Teile des Display-Marktes bestimmen und womöglich eine Art Tapetenfernseher realisierbar machen: einen Flachbildschirm, der zugleich Lichtquelle ist, sich rollen lässt etc.. Die Entwicklung könnte so billig werden, dass die Wände jeder Keksdose eine Bildgeschichte zu erzählen beginnen. (Quelle: Siemens)

Für die universelle Tapete der Zukunft stehen mittlerweile Polymere bereit, die - von einem milden Strom durchflossen - in den Farben Rot, Grün oder Blau leuchten. Mit Rot, Grün und Blau lässt sich Weiß mischen - eine Tapete aus diesen Polymeren könnte also weiß leuchten, aber auch in jeder anderen Farbe. Ließe sich die Polymertapete Punkt für Punkt ansteuern - etwa mit Hilfe feiner Leiterbahnen - so wäre sie als biegsamer Bildschirm verwendbar. Erste Bildschirme aus leuchtenden Polymeren gibt es bereits, wenn auch nur im Kleinformat.

Kolloide

Schalottensud-Tröpfchen in Öl bilden Kolloid-System

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Schalottensud-Tröpfchen in Öl, ca. 1/10 Millimeter Durchmesser. Die Kunst, Kolloid-Systeme wie diese stabil zu halten, wissen die Produzenten von Mayonnaise, Sonnenmilch und Anstrichfarben hoch zu schätzen.
(Fotos: Bergerhof Studios, Suzy Coppens)

Kolloide sind mikroskopisch kleine Partikel, fein verteilt in einem homogenen Medium. Kolloide sind allgegenwärtig: Milch und Blut sind Kolloide, Nebel (Wassertröpfchen in Luft) und Mayonnaise (Öltröpfchen in Essigwasser) ebenso, aber auch Malerfarben enthalten Kolloide.

Wenn ein Material in der Form sehr kleiner Partikel vorliegt, können sich seine Eigenschaften deutlich von denen unterscheiden, die es als großer Brocken hat. Ein Grund: Bei kleinsten Partikeln liegt ein großer Teil der Atome an der Partikeloberfläche und Oberflächenatome sind, mangels Bindungspartnern, sehr reaktionsfreudig. Dies nutzt man bei der chemischen Katalyse aus. Das Institut für Neue Materialien in Saarbrücken hat Filter für Dunstabzugshauben mit Nanometer großen Teilchen entwickelt, die Küchengeruchsstoffe katalytisch zerlegen.

Auch Sauce Bearnaise ist ein komplexes Kolloid-System

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Sauce Bearnaise: Drei Schalotten und zwölf Estragon-Blätter fein hacken, in einer Kasserolle zusammen mit einem Glas Weißwein und einem halben Glas Weinessig auf ein Viertel der ursprünglichen Flüssigkeitsmenge einkochen. Inzwischen zwei Eigelbe mit Salz und Pfeffer in eine Schüssel schlagen, einen halben Teelöffel Butter dazu tun. Dann den heißen Schalotten-Sud in dünnen Strähnen unter ständigem Rühren mit den Eigelben mischen und nach und nach in kleinen Portionen 200 Gramm Butter unterziehen. Das Ganze durch ein Sieb in einen Topf in einem Wasserbad schütten und cremig rühren. Zum Schluss ein paar Spritzer Zitronensaft dazu, gehackte Petersilie darüber streuen und lauwarm servieren.

Kolloide stabil zu halten ist bislang eher eine Kunst als eine Wissenschaft gewesen; erst in den letzten Jahren hat sich das Verhältnis umgekehrt. In der Folge ist eine chemische Nanotechnologie entstanden, die die Produktion exotischer Materialien ermöglicht. So werden Mikropartikel häufig mit einem elektrisch geladenen Schleier verhüllt, damit die Teilchen in Lösung nicht aneinander kleben. Ganz ähnlich macht es die Natur bei roten Blutkörperchen: deren Außenhaut ist negativ geladen.

Ein sehr angenehmes Kolloid-System ist die Sauce Bearnaise, so genannt zu Ehren des großen französischen Königs Henri IV, der 1553 in Bearn geboren wurde. In der Sauce sind wässrige und ölige Komponenten mikrometerfein topologisch auf das Wohlschmeckendste verschachtelt.

Henri IV von Frankreich hat dieses königliche Rezept mehr als verdient, schließlich war er es, der jedem Bewohner seines Reiches einmal in der Woche ein Huhn im Topf gewünscht hatte, was Dank seiner Regierungskunst denn auch in Erfüllung ging.

Zusammenspiel und Selbstorganisation: Ordnung im Chaos

Fraktale Formen im Gemüse: Romanesco

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Fraktale Formen: Romanesco (Türmchenkohl), ein Verwandter des weißen Blumenkohls, zeigt auffällige Selbstähnlichkeit. Die Struktur der Röschen wiederholt sich im Großen und im Kleinen. (Foto: Institut für Theoretische Physik der Uni Gießen, Stefanie Ruß)

In der belebten Natur werden Komponenten der "weichen Materie" - wie Flüssigkristalle, Polymere, Kolloide - in einem wilden Wirbel aus Membranen, Micellen und Vakuolen zu immer neuen Formen verwoben. Dabei ordnet sich Materie bisweilen spontan in regelmäßige Strukturen (Selbstorganisation). In harten Festkörpern wie Metallen und Keramiken können so genannte Ausscheidungen und Mikrokristallite entstehen. Werkstoffe mit solch einer Mikrostruktur widerstehen extremen Belastungen oder erinnern sich als "Gedächtnis-Legierungen" an eingeprägte Formen. Es gibt aber auch Sand und Geröll, strömende Flüssigkeiten und Luftturbulenzen, Wanderdünen und Wolkentürme: Umformung und Bewegung im Überfluss. Steckt hier überhaupt irgendein begreifbares System dahinter?

Erst in den letzten Jahrzehnten wurde erkannt, dass sich wirklich universelle Ordnungsprinzipien hinter Selbstorganisation und Strukturbildung der Materie verbergen. Selbst scheinbar zufälliges Chaos folgt solchen Regeln! Ein Schlüssel war die Entdeckung, dass solche wirren, "fraktalen" Formen oft durch "Skalengesetze" charakterisiert werden können: Betrachten wir eine fraktale Struktur etwa mit einem Zoom-Objektiv, so sehen wir bei beliebiger Vergrößerung - also auf allen Skalen - immer wieder das gleiche Bild. Diese Selbstähnlichkeit fraktaler Gebilde erlaubt es, sie durch recht einfache mathematische "Potenz-Gesetze" zu beschreiben. Erstaunlich ist die Tatsache, dass diese Skalengesetze nur von ganz wenigen Eigenschaften des Systems abhängen: Die Gesetze sind nicht materialspezifisch, sie gelten jeweils für riesige Klassen von Festkörpern oder Flüssigkeiten, magnetischen oder elektrischen Phänomenen.

Metallische Kristallite erstarren in auffälligen Formen

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Auch metallische Kristallite können in auffälliger Form erstarren. (Bild rechts: Wilfried Kurz, EPFL, Lausanne)

Dieser Durchbruch im Verständnis komplizierter Systeme wurde möglich dank der in der Physik entwickelten mathematischen Methode der Renormierungsgruppen. Sie ist eine der bemerkenswertesten Leistungen der Physik der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts. Hinter dem Verfahren steckt die Idee, Wechselwirkungen zwischen einzelnen Molekülen stufenweise durch effektive Wechselwirkungen zwischen immer größeren Molekülgruppen zu ersetzen. Durch diesen, sich wiederholenden Prozess gehen die unwichtigen mikroskopischen Details nach und nach auf in den makroskopischen Eigenschaften des Systems.

Diese Vorgehensweise hat sich als eines der mächtigsten Werkzeuge zur genauen Beschreibung komplexer Prozesse erwiesen. Ferner symbolisiert sie den Übergang von einer linear geprägten Physik - mit einfachem Zusammenhang zwischen Ursache und Wirkung - zur Welt der Nichtlinearitäten. Es wird sogar vermutet, dass die Renormierungsgruppen-Methode bei der Erklärung von Mechanismen der biologischen Evolution eine wichtige Rolle spielen könnte. Für Festkörperphysik (die unendlich vielen Dinge), Elementarteilchenphysik (das unendlich Kleine) und Kosmologie (das unendlich Große) markiert die Renormierungsgruppen-Methode schließlich den Beginn einer wunderbaren Freundschaft!

Geckofüße haften besser

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Kleine Kraft - große Wirkung: Nähern sich Atome einander an, kommt es zwischen ihnen zur so genannten van-der-Waals-Wechselwirkung. Einer subtilen, meist anziehenden Kraft, benannt nach dem niederländischen Physiker Johannes Diderik van der Waals (1837 - 1923). Dieses Phänomen macht sich auch der Gecko zunutze. Er trägt an den Fußsohlen Millionen von Härchen, die in Abertausenden winziger Kissen enden. Jedes dieser mikroskopischen Kissen haftet per van-der-Waals-Wechselwirkung an den Molekülen der Unterlage, über die sich der Gecko bewegt - er kann so an Wänden und Decken entlang laufen. (Foto: dpa)

Von Fettaugen zu fernen Galaxien

In den 1940er Jahren experimentierte in den Philips-Laboratorien, Niederlande, ein Wissenschaftler namens Overbeek mit Aufschlämmungen von Quarzsand, die in der Produktion eine Rolle spielten. Er fand, dass die gängige Theorie dazu nicht ganz stimmen konnte: die Kräfte zwischen den Sandkörnern fielen mit dem Abstand von Sandkorn zu Sandkorn schneller ab, als vorhergesagt.

Overbeeks Äußerungen brachten die Kollegen Casimir und Polder dazu, sich genauer mit der Theorie der Van-der-Waals-Wechselwirkung zu beschäftigen. Diese schwache chemische Bindung ist für viele Lebensprozesse genauso bedeutsam wie für das Färben von Jeans, sie hält Geckos an der Decke, sie bestimmt die Form von Fettaugen auf einer Fleischbrühe und eben die Konsistenz nassen Sandes.

Casimir und Polder fanden, dass sich die Sandkörner bei größeren Entfernungen in der Tat schwächer anzogen als vorhergesagt, und damit hätte es sein Bewenden haben können, hätte Casimir nicht weiter nach den physikalischen Hintergründen gefragt und Niels Bohr getroffen, den dänischen Altmeister der Atomphysik. "Nett. Etwas Neues", murmelte der und "Nullpunktsenergie des Vakuums." Er setzte Casimir damit auf eine neue Spur, die zu einer merkwürdigen quantentheoretischen Rechnung führte: Zwei elektrisch leitende, aber ungeladene Metallplatten in einem gewöhnlichen Vakuum, wie man es in jeder Fernsehröhre findet, sollten sich anziehen, wenn man die Platten sehr dicht aneinander bringt. Der Effekt wurde erst 1997 glaubhaft experimentell bestätigt.

Der Casimir-Effekt wird heute sogar zur Deutung der Expansion des Universums herangezogen, als eine Art Antigravitation. Damit ist der Casimir-Effekt das - im Wortsinne - wohl weitreichendste Phänomen, das in der Festkörperphysik je entdeckt wurde - in einem Eimer nassen Sandes.