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NEWS - AUSBILDUNG

Flüssigkeiten, die Kräfte absorbieren



Bern (08.11.2017) -

Kolloide sind erstaunliche Materialien, die sich unter Krafteinwirkungen verfestigen. Vom SNF gefrderte Forschende haben die Auswirkung extrem starker Krfte - wie die von Geschossen oder Mikrometeoriten - auf diese Stoffe untersucht.

Auf den ersten Blick hneln Kolloide homogenen Flssigkeiten wie beispielsweise Milch oder Blutplasma. Tatschlich sind sie jedoch Suspensionen aus festen Partikeln. Einige Kolloide haben erstaunliche Eigenschaften: Sie werden unter Krafteinwirkung fest und ihre Oberflchen absorbieren die auf sie einwirkenden Krfte. Diese Besonderheit erffnet eine ganze Reihe interessanter Anwendungsmglichkeiten, von der kugelsicheren Weste bis zum Schutzschild fr Satelliten. Vom Schweizerischen Nationalfonds (SNF) gefrderte Wissenschaftler haben entdeckt, dass sich das Verhalten der Kolloide unter extremer Krafteinwirkung verndern kann. Um die Eigenschaften dieser Kolloide besser zu verstehen, haben sie ein neues Modell entwickelt. Die Ergebnisse ihrer Forschung wurden in der wissenschaftlichen Fachzeitschrift PNAS verffentlicht.(*)

Im Rahmen einer SNF-Frderungsprofessur stellen Lucio Isa und sein Team an der ETH Zrich sogenannte "zweidimensionale" kolloidale Kristalle her. Die winzigen Siliziumkgelchen haben einen Durchmesser von wenigen Mikrometern und schweben in einem Gemisch aus Wasser und Glyzerin. Die Forschenden der ETH untersuchen gemeinsam mit Chiara Daraio von Caltech (USA) und Stphane Job vom Institut Suprieur de Mcanique in Paris, wie dieses Kolloid Krfte absorbiert.

Dabei hat das Team festgestellt, dass sich bei Kolloiden mit mikrometerkleinen Teilchen die Art und Weise der Absorption in Abhngigkeit von der Intensitt und der Geschwindigkeit der einwirkenden Kraft verndert. Unterhalb eines bestimmten Schwellenwerts ist die Viskositt der Flssigkeit entscheidend - ein in den klassischen Modellen gut beschriebenes Phnomen. "Stellen Sie sich vor, wie die winzigen Glaskgelchen in der Flssigkeit schweben", sagt Lucio Isa. "Sobald eine Kraft einwirkt, fangen sie an, sich zu bewegen. Dabei gert auch die sie umgebende Flssigkeit in Bewegung, und zwar je nach Viskositt schneller oder langsamer. Diese Bewegung des Fluids sorgt dafr, dass sich das Ganze verfestigt."

Ist die einwirkende Kraft allerdings sehr stark, kann sich die Flssigkeit zwischen den Kgelchen nicht mehr bewegen und diese verformen sich. "Dann wird die Absorption der Krfte vor allem durch die physikalischen Eigenschaften der Kgelchen bestimmt, weshalb sich die blichen Gleichungen nicht anwenden lassen", erklrt Lucio Isa.

Der Aufprall einer Gewehrkugel

Damit die Teilchen zum entscheidenden Faktor werden, muss die einwirkende Kraft extrem stark sein - wie beispielsweise beim Aufprall einer Gewehrkugel oder eines Mikrometeoriten - sandkorngrosser Krper, die Satelliten im All mit einer Geschwindigkeit von zehn Kilometern pro Sekunde treffen knnen.

Derart intensive Krfte im Labor zu erzeugen, sei ziemlich schwierig gewesen, erklrt Lucio Isa. Die Forschenden berzogen zu diesem Zweck einen kleinen Teil der Siliziumkgelchen mit Gold. Wird das Gold mit einem gepulsten Laser bestrahlt, verdampft es und erzeugt eine Stosswelle, die das Kolloid in hnlicher Weise verndert wie der Aufprall eines Mikrometeoriten. Die Wissenschaftler dokumentierten ihr Experiment mit Highspeed-Mikroskop-Kameras.

"Ihre speziellen Eigenschaften machen die Kolloide zu faszinierenden Forschungsobjekten", so Lucio Isa. "die beispielsweise die Entwicklung neuartiger Schilde, die Satelliten gegen aufprallende Mikrometeoriten schtzen, ermglichen knnten."

Die vom SNF gefrderten Forschungsarbeiten wurden an der ETH Zrich, am Supmca (Institut Suprieur de Mcanique) in Paris und bei Caltech (USA) durchgefhrt. Der SNF frdert darber hinaus das von der franzsischen Forschungsagentur ANR und der franzsischen Forschungsstiftung fr Luft- und Raumfahrt (FRAE) untersttzte Projekt Metaudible.

(*) I. Buttinoni et al.: Direct observation of impact propagation and absorption in dense colloidal monolayers. PNAS (2017) doi: 10.1073/pnas.1712266114 http://www.pnas.org/content/early/2017/10/25/1712266114.short?rss=1

Downloadbild fr den redaktionellen Gebrauch http://www.snf.ch/de/fokusForschung/newsroom/Seiten/news-171108-medienmitteilung-fluessigkeiten-die-stoesse-absorbieren.aspx



Prof. Lucio Isa,
lucio.isa@mat.ethz.ch

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