140 Jahre nach Lord Rayleigh wurde eine völlig neue konvektive Instabilität vorhergesagt und experimentell entdeckt. Konvektive Instabilitäten sind sowohl für unser Alltagsleben als auch für Ökologie und Klima in der Atmosphären- und Ozeanforschung von grundlegender Bedeutung.
Ein bekanntes Beispiel ist die Rayleigh-Taylor-Instabilität, die immer dann auftritt, wenn eine leichtere Flüssigkeit vertikal nach oben in eine dichtere Flüssigkeit eintritt. Beispiele hierfür sind Vulkanausbrüche und die Atompilze nach Atomexplosionen.
Der Mechanismus konvektiver Instabilitäten wurde vor etwa 140 Jahren von Lord Rayleigh in einer Reihe von Arbeiten geklärt (die dimensionslose Rayleigh-Zahl, die zur Quantifizierung des Beginns der Instabilität verwendet wird, ist nach ihm benannt) und wird noch immer intensiv als physikalisches und natürliches Phänomen untersucht, bei dem selbstorganisierte räumliche Muster als Folge einer dynamischen Instabilität entstehen.
In enger Zusammenarbeit mit unseren experimentellen Kollegen an der Universität Mailand haben wir 140 Jahre nach Lord Rayleighs Arbeit eine neue konvektive Instabilität entdeckt und mathematisch vorhergesagt. Bei der Rayleigh-Taylor-Instabilität befindet sich die leichtere Flüssigkeit zunächst unten und die schwerere oben, daher ist die Flüssigkeitsmischung in ihrem Anfangszustand gravitativ instabil. Unser Artikel ist veröffentlicht In Zeitschrift für Physikalische Chemie.
In unserem Experiment haben wir jedoch den umgekehrten Fall betrachtet: Eine schwerere Flüssigkeit (Glycerin) befindet sich zunächst am Boden, während eine leichtere (Wasser) auf der schwereren liegt. Daher ist das System gravitativ stabil und niemand würde eine Instabilität erwarten. An diesem Punkt fügen wir dem System Silica-Nanopartikel hinzu.
Die Siliciumdioxid-Nanopartikel neigen dazu, sich nach oben zu bewegen, um ihre Grenzflächenenergie zu minimieren, d. h. sie bewegen sich von unteren, glycerinreicheren Regionen in Richtung oberer, wasserreicherer Regionen: Dieser Prozess wird als Diffusiophorese bezeichnet.
Als Folge dieser Aufwärtsdiffusion der kolloidalen Nanopartikel bilden sich in den wasserreichen Schichten lokal dichtere Bereiche, die dann durch die Schwerkraft zurückgedrängt werden. Dies markiert den Beginn einer hydrodynamischen Instabilität. Letztere zeigt sich als Peak im Strukturfaktor, der durch Bestrahlung der Probe mit Licht erhalten wird, und geht mit einer Musterbildung einher.
In der Praxis sind Zellen mit lokal kolloidarmen Regionen von „Armen“ umgeben, die reich an kolloidalen Nanopartikeln sind. In unserem optischen Experiment erscheinen die Arme des gebildeten Netzwerks hell fluoreszierend im Kontrast zu den dunkelblauen kolloidarmen Regionen. Letztlich endet die Musterbildung mit einer Phasentrennung nach langer Zeit.
Dies ist ein neuer physikalischer Effekt (der sich sowohl von der Rayleigh-Taylor- als auch der Rayleigh-Benard-Instabilität unterscheidet), den wir mit gekoppelten Diffusionsgleichungen für die Nanopartikel und den gelösten Stoff (Glycerin) mathematisch modelliert haben, aus denen wir den Beginn der Instabilität anhand der Rayleigh-Zahl vorhersagen können.
Diese Entdeckung kann sowohl in der Technologie als auch im Umweltschutz vielfältige Anwendungsmöglichkeiten bieten. So kann diese konvektive Instabilität beispielsweise dazu genutzt werden, neue mikroskopisch strukturierte Materialien herzustellen, indem die Nanopartikel in den Armen des Netzwerks koaguliert werden. Dies könnte einen neuen Weg für Sol-Gel-Prozesse und zur Herstellung neuer Materialien mit kontrollierter innerer Mikrostruktur eröffnen.
Die neue konvektive Instabilität könnte auch als Methode zur Trennung von Flüssigkeitsgemischen in einer Vielzahl von industriellen, pharmazeutischen und natürlichen Systemen sowie zur Trennung kolloidaler Verunreinigungen wie Mikroplastik aus Flüssigkeiten eingesetzt werden. Schließlich kann sie Aufschluss über die Bildung bunter Muster und Streifen auf der Haut von Tieren vom Zebra bis zum tropischen Fisch geben.
Diese Geschichte ist Teil von Science X Dialogwo Forscher Ergebnisse aus ihren veröffentlichten Forschungsartikeln melden können. Besuchen Sie diese Seite für Informationen zum Science X Dialog und zur Teilnahme.
Weitere Informationen:
Carmine Anzivino et al, Konvektive Instabilität durch Diffusiophorese von Kolloiden in binären Flüssigkeitsgemischen, Zeitschrift für Physikalische Chemie (2024). DOI: 10.1021/acs.jpclett.4c01236
Biografien:
Alessio Zaccone erhielt 2010 seinen Doktortitel am Institut für Chemie der ETH Zürich. Von 2010 bis 2014 war er Oppenheimer Research Fellow am Cavendish Laboratory der Universität Cambridge. Nach seiner Tätigkeit an der Technischen Universität München (2014–2015) und der Universität Cambridge (2015–2018) ist er seit 2022 ordentlicher Professor und Lehrstuhlinhaber für theoretische Physik am Institut für Physik der Universität Mailand. Zu seinen Auszeichnungen gehören die ETH-Silbermedaille, die Gauss-Professur 2020 der Akademie der Wissenschaften zu Göttingen, das Fellowship des Queens‘ College Cambridge und ein ERC Consolidator Grant („Multimech“).
Zu den Forschungsbeiträgen gehören die analytische Lösung des Problems des Störübergangs (Zaccone & Scossa-Romano PRB 2011), die analytische Lösung des Problems der zufälligen dichten Packung in 2D und 3D (Zaccone PRL 2022), die Theorie der thermisch aktivierten Reaktionsratenprozesse in Scherströmungen (Zaccone et al. PRE 2009), die Theorie der Kristallisationskeime unter Scherströmung (Mura & Zaccone PRE 2016), die theoretische Vorhersage bosonenartiger Spitzen in den Schwingungsspektren von Kristallen (Milkus & Zaccone PRB 2016; Baggioli & Zaccone PRL 2019), die Theorie des Glasübergangs in Polymeren (Zaccone & Terentjev PRL 2013) und die theoretische Vorhersage von Supraleitungsverstärkungseffekten aufgrund von Phononendämpfung (Setty, Baggioli, Zaccone PRB 2020). Die Forschungsinteressen reichen von der statistischen Physik ungeordneter Systeme (Zufallspackungen, Störung, Gläser und Glasübergang, Kolloide, Nichtgleichgewichtsthermodynamik) bis hin zur Festkörperphysik und Supraleitung.