Neue Methode macht die Ausdehnung trüber Tropfen im Wasser sichtbar

Bei der Fahrt durch eine Nebelbank helfen Autoscheinwerfer nur bedingt, da das Licht durch die in der Luft schwebenden Wasserpartikel gestreut wird. Ähnlich verhält es sich, wenn man versucht, mit Hilfe von weißem Licht das Innere eines Milchtropfens in Wasser oder die innere Struktur eines Opal-Edelsteins zu beobachten. In all diesen Fällen verhindern mehrfache Lichtstreueffekte die Untersuchung des Innenraums.

Ein Forscherteam der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) hat diese Schwierigkeit nun überwunden und eine neue Methode demonstriert, das Innere eines kristallinen Tropfens zu untersuchen. Ihre Erkenntnisse waren veröffentlicht kürzlich in der Zeitschrift Weiche Materie.

Monochromatische Beleuchtung bringt Licht auf das Problem

Wir alle kennen das Ergebnis, wenn man einen Tropfen Tinte ins Wasser gibt: Die Tintenpartikel verteilen sich nach und nach durch einfache Diffusion. Dies ist jedoch nicht unbedingt dasselbe, wenn man einen Tropfen betrachtet, der aus Partikeln besteht, die sich gegenseitig stark abstoßen.

Es gibt einige Simulationen für einige eher exotische Materialien wie staubiges Plasma, das – wie die Materie, aus der die Sonne besteht – aus abstoßenden Teilchen besteht. Vorhersagen über Tropfen aus abstoßenden Partikeln, die in einer Flüssigkeit schweben, fehlen. Auch experimentell erwiesen sich alle Versuche, das dreidimensionale Verhalten eines solchen Tropfens zu messen, als vergeblich.

Nun haben Forscher jedoch mit sehr einfachen Laborgeräten eine Methode entwickelt, mit der sich auch Fälle untersuchen lassen, in denen weißes Licht nicht eindringen kann und der Einsatz von Röntgenstrahlen nicht sinnvoll wäre. Ihr Ansatz macht sich die Tatsache zunutze, dass die Farbe mehrfach gestreuten Lichts von der lokalen Partikelkonzentration abhängt. Dieser Effekt wird noch verstärkt, wenn das Material kristallin ist. Dadurch erscheinen Bereiche unterschiedlicher Partikelkonzentration in unterschiedlichen Farben.

Prinzipiell schimmern konzentrierte Bereiche leuchtend blau, andere, wo die Partikel weiter voneinander entfernt sind, weisen einen rötlichen Farbton auf. Durch die Beleuchtung des Tropfens mit weißem Licht, das eine Mischung verschiedener Wellenlängen ist, werden alle Farben gleichzeitig gestreut und es ist praktisch unmöglich, den genauen Ursprung jeder Farbe innerhalb des gesamten trüben und weißlichen Tropfens zu bestimmen.

„Wir haben diese Schwierigkeit überwunden, indem wir die Tropfen nacheinander mit unterschiedlichem monochromatischem Licht, also Licht einzelner Wellenlängen, beleuchtet haben“, erklärt Professor Palberg von der JGU. Für jede Wellenlänge trat Mehrfachstreuung nur in Bereichen geeigneter Partikelkonzentration auf, während der Rest des Tropfens für diese Wellenlänge transparent wurde.

„So können wir sehen, wo genau das rote oder blaue Licht aus der Tiefe des Tropfens gestreut wurde. Mit unserer Technik können wir nun – mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung – das Dichteprofil von kristallinen, trüben Tropfen untersuchen.“ und sogar das anderer trüber Medien.“

Diese Methode könnte beispielsweise nützlich sein, um die Konzentrationsgradienten sedimentierender Schlämme zu analysieren oder den Grad der Homogenisierung zu bestimmen, der beim Rühren von mit Lösungsmittel verdünnter Farbe erreicht wird.

Komplexes Ausdehnungsprofil kristalliner Tropfen

In ihrer aktuellen Arbeit wandten die Forscher ihre neue Methode an, um Tropfen einer Suspension zu untersuchen, die aus gleich geladenen und daher abstoßenden kleinen Polymerkügelchen besteht, die in Wasser suspendiert sind. Diese Partikel interagieren zunächst so stark, dass die unverdünnte Suspension ein polykristallines Material bildet. Eine solche Suspension ähnelt optisch stark einem Edelsteinopal und weist eine sehr starke Mehrfachstreuung auf. Sobald jedoch ein Tropfen davon ins Wasser gegeben wird, beginnt es sich auszudehnen.

„Mit dieser Pionierarbeit konnten wir feststellen, dass das Ausdehnungsprofil dieses kristallinen Materials relativ komplex ist. Es gibt weder eine konstante Gesamtdichte mit einer genau definierten Außenkante noch ein geradliniges Diffusionsprofil, wie man es von einem Tropfen erwarten würde.“ von nicht abstoßenden Partikeln in einem flüssigen Medium“, sagte Palberg.

Zudem kommt es durch die gegenseitige Abstoßung der Partikel zunächst zu einer schnellen Ausdehnung der Kristallkugel, bevor die Kristalle aufgrund ihrer Verdünnung am Tropfenrand zerfallen und der Tropfen allmählich zu schrumpfen beginnt.

Während die Laborexperimente an der Universität Mainz durchgeführt wurden, führte das Team von Professor Hartmut Löwen an der HHU eine theoretische Modellierung des Dichteprofils auf Basis der dynamischen Dichtefunktionaltheorie durch.

„Es gab eine vielversprechende Korrelation zwischen den Ergebnissen des Experiments und der Modellierung, was auf die gute Vorhersagekraft dieser Art von Theorie hinweist“, sagte Löwen.

Tatsächlich zeigte das berechnete Dichteprofil auch ein zentrales Dichtemaximum und einen radialen Dichtegradienten, der mit der Zeit abflachte. Bemerkenswerterweise wurde sogar der Zeitpunkt der maximalen Ausdehnung des kristallinen Tropfens genau vorhergesagt. Daraus lässt sich schließen, dass die Größe eines Tropfens durch zwei gegensätzliche Prozesse bestimmt wird: Er dehnt sich kontinuierlich aus und schmilzt gleichzeitig an seiner Kontur.

„Das Zusammenspiel dieser beiden Prozesse ergibt ein Expansionsszenario, das sich qualitativ von dem unterscheidet, was aus der Modellierung von Plasmen vorhergesagt wurde“, schlussfolgern die Forscher. Sie planen nun, ihre Untersuchungen fortzusetzen, indem sie den Grad der Abstoßung der Partikel systematisch variieren, um herauszufinden, wie sich dieser auf das Dichteprofil und die Expansionsdynamik auswirkt.