Ein Plexiglas-Behälter enthält Hydrogel-Kugeln von rund zwei Zentimetern Durchmesser. Die durchsichtigen Kugeln befinden sich in einer Lösung aus Wasser und PVP. Eine Laserwand scannt die Kugeln ab, eine Kamera fotografiert die beleuchteten Abschnitte

Kräfte in granularen Materialien enthüllt

Warum man nicht im Sand versinkt, wenn man darauf steht, ist eine bislang nicht komplett gelöste Forschungsfrage: Wie genau reagieren einzelne Sandkörner auf Druck, den man auf sie ausübt? Ein Forscherteam berichtet nun im Fachmagazin „Nature Communications“ von einem neu entwickelten Bildgebungsverfahren, mit dem sich die auf einzelne Elemente eines granularen Materials wirkenden Kräfte berechnen lassen. Laut den Wissenschaftlern könnte ihre Methode in Zukunft dabei helfen, Phänomene wie Erdrutsche oder Lawinen besser zu verstehen.

Sandkörner, Müsli oder Schnee: Diese granularen Materialien bestehen alle aus zahllosen ungeordneten Bestandteilen, deren Kontaktpunkte und Kräfte untereinander ausschlaggebend für das Verhalten des Materials als Ganzes sind. Um die Kräfte zwischen einzelnen Elementen zu erfassen, verwendete das Team um Nicolas Brodu von der US-amerikanischen Duke University in Durham stellvertretend Hunderte von durchsichtigen Kugeln aus einem Hydrogel. In einer ebenfalls durchsichtigen Lösung drückten die Forscher die rund zwei Zentimeter großen Kugeln mithilfe eines Kolbens zusammen.

Ein dreidimensionales Modell der Versuchsanordnung aus Hydrogel-Kugeln unter Druck wird rechts dargestellt, die einzelnen Kräfte als farbige Linien sind links dargestellt.Hydrogelkugeln als Modell für granulare Materialien
Hydrogelkugeln als Modell für granulare Materialien

Währenddessen beleuchteten Brodu und seine Kollegen den Behälter mit den Hydrogelkugeln abschnittsweise mit Laserlicht und nahmen die jeweils angestrahlten Querschnitte auf. Aus dieser Serie von zweidimensionalen Aufnahmen konnten die Wissenschaftler anschließend mithilfe eines speziell dafür entwickelten Computeralgorithmus ein dreidimensionales Modell der Hydrogelkugeln und ihrer Verformungen erstellen. Das ermöglichte ihnen, die Kräfte unter den einzelnen Teilchen zu rekonstruieren. Bislang verwendete Methoden auf diesem Gebiet konnten zwar die Positionen und Kontaktpunkte der einzelnen Teilchen erfassen, nicht aber die Kräfte, die zwischen ihnen wirken.

Die gemessenen mikroskopischen Kräfte verglichen die Forscher mit der Krafteinwirkung durch den Kolben und konnten so erklären, wie das granulare Material als Ganzes unter der Einwirkung von Druck reagiert. Dieses Wissen ist interessant, um die Prozesse hinter Lawinen oder Erdrutschen zu verstehen. In beiden Fällen verhält sich das Material anfangs wie ein stabiler Festkörper – gerät es jedoch ins Rutschen, ähnelt sein Verhalten eher dem einer Flüssigkeit. Kennt man die Kräfte, die zwischen den einzelnen Bestandteilen wirken, ließe sich dieser Übergang künftig besser nachvollziehen.